modelagem e anÁlise do processo de degomagem no refino de
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
QUÍMICA
MODELAGEM E ANÁLISE DO PROCESSO
DE DEGOMAGEM NO REFINO DE ÓLEO DE
SOJA
Gerusa de Oliveira Rosa
Orientadores: Prof.Dr.Cid Marcos Gonçalves Andrade
Prof. Dr. Paulo Roberto Paraíso
Coorientador: Prof.Dr.Luiz Mario Matos Jorge
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
MODELAGEM E ANÁLISE DO PROCESSO
DE DEGOMAGEM NO REFINO DE ÓLEO DE
SOJA
Gerusa de Oliveira Rosa
Engenheira de Produção, UEM,2006
Orientadores: Prof.Dr.Cid Marcos Gonçalves Andrade
Prof. Dr. Paulo Roberto Paraíso
Coorientador: Prof.Dr.Luiz Mario Matos Jorge
Dissertação apresentada à Universidade
Estadual de Maringá, como parte das
exigências do Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Química, para
a obtenção do título de Mestrado em
Engenharia Química.
MARINGÁ – PR - BRASIL
Julho de 2012
ii
Ao meu esposo Roberto Ferreira
Augusto com todo meu amor.
Agradecimentos
Meus sinceros agradecimentos a aqueles que em mim acreditaram e
contribuíram para a realização deste trabalho:
Primeiramente a Deus que concedeu pela sua honra e glória essa oportunidade;
Aos meus orientadores Paulo Paraíso e Cid Marcos pela ajuda, apoio e
compreensão;
Ao professor Luiz Mario Jorge pela ajuda e compreensão;
A equipe produção da Refinaria pela ajuda na coleta de dados.
Ao meu esposo pela paciência e compreensão.
A minha mãe e meu pai pelo incentivo.
v
“Deficiências podem ser usadas como
desculpas, ou consideradas degraus a
ser galgado rumo a uma meta
estabelecida.”
Napolean Hil
vi
7
MODELAGEM E ANÁLISE DO PROCESSO DE DEGOMAGEM NO REFINO
DE ÓLEO DE SOJA
AUTOR: GERUSA DE OLIVEIRA ROSA
ORIENTADORES: PROF. Dr. CID MARCOS GONÇALVES ANDRADE.
PROF. Dr. PAULO ROBERTO PARAÍSO
Tese de Mestrado; Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química;
Universidade Estadual de Maringá; Av. Colombo 5790, Bloco E-46 - 09, CEP 87020-
900, Maringá – PR, Brasil, defendida em 27 de Julho de 2012.
RESUMO
A produção de óleo de soja é um importante setor do agronegócio mundial. O Brasil é
um grande produtor mundial deste produto, todavia, enfrenta grande concorrência no
mercado internacional de outros países produtores. Para ser competitivo neste mercado,
é necessário atuar intensivamente para produzir óleo com qualidade e baixo custo
operacional. No processo industrial, a degomagem garante a separação das gomas
presentes no óleo de soja. Este trabalho tem como principal objetivo modelar e analisar
a operação industrial de degomagem a fim de possibilitar a redução de perdas
operacionais e a geração de óleo de melhor qualidade. Para tanto, foi realizado um
estudo do processo para verificar a influência das variáveis e parâmetros envolvidos na
degomagem. Em seguida, foi desenvolvido o modelo matemático do processo que foi
convalidado com dados operacionais da indústria. Além disso, diversas simulações
desta operação foram aplicadas com o intuito de verificar as melhores condições do
processo. Os resultados obtidos foram satisfatórios e o modelo desenvolvido
representou bem o processo da degomagem.
Palavras-chave: degomagem, simulação, óleo de soja.
vii
MODELING AND ANALYSIS OF THE DEGUMMING PROCESS SOYBEAN
OIL REFINING
AUTHOR: GERUSA DE OLIVEIRA ROSA
SUPERVISORS: PROF. Dr. CID MARCOS GONÇALVES ANDRADE.
PROF. Dr. PAULO ROBERTO PARAÍSO
Master Thesis; Chemical Engineering Graduate Program; State University of Maringa;
Av. Colombo, 5790, BL E46 – 09; CEP: 87020-900 – Maringá – PR, Brazil, presented
on July 27, 2012.
ABSTRACT
The soybean oil production is an essential worldwide agribusiness sector. Brazil is a
greater world producer of this product, but this country faces a powerful competition in
the international market of other producing countries. To be competitive in this market,
it is necessary to work intensively to produce oil with high quality and low operating
cost. In industrial process, the degumming guarantees the separation of the gums
present in the soybean oil. This paper has as principal aim to model and analyze the
industrial degumming operation to enable the reduction of operational losses and the
generation of a better quality of oil. To reach this objective, a detailed study of the
process to check the influence of variables and parameters involved in degumming was
made. Afterwards, the mathematical model of the process has been validated with
operational data in the industry. Moreover, several simulations of this operation were
conducted to determine the best conditions of the process. The results were satisfactory
and the model developed represented well the degumming process.
Key words: degumming, simulation, soybean oil.
viii
Sumário
RESUMO ....................................................................................................................... vii
ABSTRACT .................................................................................................................. viii
Lista de Figuras ............................................................................................................... xi
Lista de Tabelas ............................................................................................................. xiii
1. INTRODUÇÃO .........................................................................................................1
1.1 COLOCAÇÃO DO PROBLEMA .....................................................................1
1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................2
9.1 ESTRUTURA DO TRABALHO ......................................................................3
9.2 PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES DO TRABALHO .......................................4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...................................................................................5
2.1 ASPECTOS GERAIS ..............................................................................................5
2.2 A SOJA ..............................................................................................................5
2.3 COMPOSIÇÃO DO GRÃO DE SOJA .............................................................6
2.4 EXTRAÇÃO DO ÓLEO BRUTO DE SOJA ...................................................9
2.5 REFINO DE ÓLEO DE SOJA ........................................................................13
2.5.1 Definição do Óleo de Soja ...........................................................................15
2.5.2 Processo Industrial.......................................................................................20
2.5.3 Degomagem .................................................................................................22
2.5.4 Lecitina ........................................................................................................32
2.5.5 Neutralização ...............................................................................................34
2.5.6 Branqueamento ............................................................................................36
2.5.7 Desodorização .............................................................................................37
2.6 CONCLUSÃO SOBRE O CAPÍTULO 2 .......................................................37
3. MATÉRIAIS E MÉTODOS ....................................................................................39
3.1 MATERIAIS ...................................................................................................39
3.1.1 Equipamento industrial ................................................................................39
3.1.2 Aparato utilizado no laboratório ..................................................................40
3.2 LEVANTAMENTO DE DADOS EXPERIMENTAIS NA INDÚSTRIA .....42
3.2.1 Coleta e Preparação das Amostras ..............................................................42
ix
3.2.2 Influência da Vazão de Entrada e água adicionada para hidratação no
processo de degomagem ..........................................................................................42
3.2.3 Influência da variação de temperatura .............................................................44
3.2.4 Influência da avaliação de Densidade e Viscosidade ......................................44
3.2.5 Influência da variação de Pressão no equipamento .........................................45
3.3 ANÁLISES REALIZADAS ............................................................................45
3.3.1 Umidade ......................................................................................................45
3.3.2 Fósforo .........................................................................................................46
3.3.3 Impurezas ....................................................................................................48
3.3.4 Determinação de Sabões..............................................................................49
3.3.5 Análise de Arraste de Óleo ..........................................................................50
3.3.6 Análise de Determinação da Viscosidade do Óleo Bruto e Lecitina de Soja
51
3.3.7 Análise de Determinação da Densidade do Óleo Bruto e Lecitina de
Soja- Método Intercit In. Adaptado .........................................................................52
4. MODELAGEM MATEMÁTICA ............................................................................53
4.1 BALANÇO DE FORÇAS NA CENTRIFUGAÇÃO DO ÓLEO BRUTO
DE SOJA 53
4.2 BALANÇO DE MASSA NA CENTRIFUGAÇÃO DO ÓLEO BRUTO
DE SOJA ..................................................................................................................59
5. RESULTADOS E DISCUSÃO ...............................................................................62
5.1 COMPOSIÇÃO DAS CORRENTES .............................................................62
5.1.1 Condições da Corrente de Entrada – Óleo Bruto ........................................62
5.1.2 Condições da Corrente de Óleo Degomado ................................................63
5.1.3 Condições da Corrente de Goma (Lecitina) ................................................63
5.2 INFLUÊNCIA DA QUANTIDADE DE ÁGUA PARA HIDRATAÇÃO .....64
5.3 ANÁLISE DA VAZÃO EM RELAÇÃO À QUALIDADE DO PRODUTO
FINAL 65
5.4 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NO PROCESSO DE SEPARAÇÃO .66
5.5 RESULTADOS DA VARIAÇÃO DE PRESSÃO .........................................70
6. SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE DEGOMAGEM DO ÓLEO BRUTO DE
SOJA................................................................................................................................72
6.1 CONVALIDAÇÃO DO MODELO PROPOSTO...........................................72
6.2 SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE DEGOMAGEM ...................................75
7. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS.....................82
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................................84
Lista de Figuras
FIGURA 1 - ETAPAS DO PROCESSO DE EXTRAÇÃO POR SOLVENTE. ................................... 10
FIGURA 2 – SISTEMA COMPLETO DE EXTRAÇÃO COM SOLVENTE ..................................... 13
FIGURA 3 - DIAGRAMA DE UM PROCESSO DE REFINO DE ÓLEO DE SOJA CONVENCIONAL. . 15
FIGURA 5 – INSTALAÇÃO DE DEGOMAGEM COM ÁGUA. ................................................... 26
FIGURA 6 - PROCESSO DE DEGOMAGEM ÁCIDA SIMPLES. ................................................. 27
FIGURA 7 - DEGOMAGEM ESPECIAL DA ALFA LAVAL. ..................................................... 28
FIGURA 8 - TOP DEGOMAGEM. ....................................................................................... 29
FIGURA 9 - DIAGRAMA DO FLUXO DO PROCESSO DE SUPER-UNI DEGOMAGEM. ................ 30
FIGURA 10 - DEGOMAGEM POR ULTRAFILTRAÇÃO ........................................................... 31
FIGURA 11 - CENTRÍFUGA COM TAMBOR DE DISCO. ......................................................... 40
FIGURA 12- CENTRÍFUGA MTD III PLUS. ......................................................................... 41
FIGURA 13 - VISCOSÍMETRO- DV- II + VISCOMETER BROOKFIELD. ................................ 41
FIGURA 14 – PONTO DE COLETA DE LECITINA .................................................................. 43
FIGURA 15 – PONTO DE COLETA DE ÓLEO DEGOMADO ..................................................... 44
FIGURA 16 – ESQUEMA DE DEGOMAGEM NO LABORATÓRIO ............................................ 44
FIGURA 17- PADRÃO DE UM ESPAÇO DE SEPARAÇÃO INDIVIDUAL ENTRE DOIS DISCOS. ... 58
FIGURA 18 – PROCESSO DE SEPARAÇÃO BINÁRIO ........................................................... 59
FIGURA 19 – COMPORTAMENTO DO ARRASTE DE ÓLEO NA LECITINA EM FUNÇÃO DA
QUANTIDADE DE ÁGUA DOSADA NA HIDRATAÇÃO. .................................................. 65
FIGURA 20 - COMPORTAMENTO DA QUALIDADE DO ÓLEO BRUTO E DEGOMADO DOS
EXPERIMENTOS. ....................................................................................................... 66
FIGURA 21 – COMPORTAMENTO DA SEPARAÇÃO DO FÓSFORO EM RELAÇÃO À
TEMPERATURA. ....................................................................................................... 67
FIGURA 22 – DEPENDÊNCIA DA VISCOSIDADE DO ÓLEO HIDRATADO COM A
TEMPERATURA. ....................................................................................................... 68
FIGURA 23 – DEPENDÊNCIA DA MASSA ESPECÍFICA DO ÓLEO HIDRATADO COM A
TEMPERATURA. ....................................................................................................... 68
FIGURA 24 – DEPENDÊNCIA DA VISCOSIDADE DA LECITINA COM A TEMPERATURA. ....... 69
FIGURA 25 – DEPENDÊNCIA DA DENSIDADE DA LECITINA COM A TEMPERATURA. .......... 69
FIGURA 26 – COMPORTAMENTO DA VELOCIDADE DE SEDIMENTAÇÃO E A TEMPERATURA 70
FIGURA 27 - VARIAÇÃO DA CONTRA PRESSÃO EM RELAÇÃO AO ÓLEO ARRASTADO. ........ 71
FIGURA 28 - MODELO SIMULADO FRENTE AOS DADOS EXPERIMENTAIS PARA A CORRENTE
DE SAÍDA DO ÓLEO DEGOMADO. ............................................................................... 72
FIGURA 29 - MODELO SIMULADO FRENTE AOS DADOS EXPERIMENTAIS PARA A CORRENTE
DE SAÍDA DA LECITINA. ............................................................................................ 73
FIGURA 30 - MODELO SIMULADO FRENTE AOS DADOS EXPERIMENTAIS. .......................... 74
FIGURA 31 - MODELO AJUSTADO E SIMULADO FRENTE AOS DADOS EXPERIMENTAIS. ...... 75
FIGURA 32 – ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA FRAÇÃO DE ÓLEO ARRASTADO EM
RELAÇÃO AO FATOR DE CORTE E A FRAÇÃO DE ÓLEO NA ENTRADA.......................... 76
FIGURA 33 - ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA FRAÇÃO DE PURIFICAÇÃO DO ÓLEO EM
RELAÇÃO AO FATOR DE CORTE E A FRAÇÃO DE ÓLEO NA ENTRADA.......................... 77
xii
FIGURA 34 - ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DO ÓLEO ARRASTADO - MODELO NÃO
AJUSTADO. ............................................................................................................... 78
FIGURA 35 - ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DO ÓLEO DEGOMADO - MODELO NÃO
AJUSTADO. ............................................................................................................... 78
FIGURA 36 - ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DO ARRASTE DE ÓLEO EM RELAÇÃO AO
FATOR DE SEPARAÇÃO E O FATOR DE CORTE. ........................................................... 79
FIGURA 37 – ANÁLISE DE PURIFICAÇÃO DO ÓLEO DEGOMADO EM RELAÇÃO AO FATOR DE
SEPARAÇÃO E AO FATOR DE CORTE. ......................................................................... 80
xii
Lista de Tabelas
TABELA 1 – COMPOSIÇÃO TÍPICA DO GRÃO DE SOJA. ................................................................................................ 7
TABELA 2- COMPOSIÇÃO MÉDIA DOS AMINOÁCIDOS CONTIDOS NAS PROTEÍNAS DA SOJA. ................................................ 8
TABELA 3 – CARACTERÍSTICAS DE QUALIDADE DO ÓLEO DE SOJA: BRUTO (ÚNICO), DEGOMADO (TIPOS 1, 2,3) E REFINADO (
TIPOS 1 E 2). ......................................................................................................................................... 16
TABELA 4 – COMPOSIÇÃO MÉDIA DO ÓLEO BRUTO E REFINADO. ............................................................................... 16
TABELA 5 – REPRESENTAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DO ÓLEO DE SOJA. ............................................................. 20
TABELA 6 – VELOCIDADE RELATIVA DE HIDRATAÇÃO DE DIFERENTES FOSFOLIPÍDIOS A 80°C. .......................................... 23
TABELA 7 - CONDIÇÕES DE DEGOMAGEM NA LITERATURA. ...................................................................................... 25
TABELA 8 - COMPONENTES DA LECITINA DE SOJA. ................................................................................................. 33
TABELA 9 - GORDURAS ÁCIDAS DA LECITINA. ........................................................................................................ 33
TABELA 10 - USOS E FUNÇÕES DE FOSFOLIPÍDIOS. ................................................................................................. 34
TABELA 11 - COMPOSTOS ABSORVIDOS NO BRANQUEAMENTO. ................................................................................ 36
TABELA 12 – ESCALA DE FATORES PARA DIFERENTES CENTRÍFUGAS. ........................................................................... 58
TABELA 13 - CARACTERÍSTICA DO ÓLEO BRUTO NA CORRENTE DE ENTRADA. ................................................................ 62
TABELA 14 - CARACTERÍSTICAS DA SAÍDA DE ÓLEO DEGOMADO DA CENTRÍFUGA........................................................... 63
TABELA 15 - CARACTERÍSTICAS DA CORRENTE DE SAÍDA LECITINA. ............................................................................. 64
TABELA 16 – DADOS EXPERIMENTAIS FRENTE AOS DADOS SIMULADOS PARA AS CORRENTES DE SAÍDA DO PROCESSO DE
DEGOMAGEM DE ÓLEO DE SOJA. ............................................................................................................... 73
TABELA 17 – CORREÇÃO DO FATOR DE SEPARAÇÃO. .............................................................................................. 74
xiv
1
1. INTRODUÇÃO
1.1 COLOCAÇÃO DO PROBLEMA
É possível observar que o Brasil é o segundo maior produtor mundial de soja,
estando atrás apenas dos Estados Unidos. Na Safra 2009/2010, a cultura ocupou uma
área de 23,6 milhões de hectares, o que totalizou uma produção de 68,7 milhões de
toneladas, sendo auto-suficiente na produção da soja e seus principais produtos. Sendo
assim, o óleo vegetal e o farelo abasteceram o mercado interno e ainda enviaram o
excedente ao mercado externo (MAPA, 2011).
Em uma projeção para 2020, segundo Abiove (2011), a América Latina será a
maior responsável pelo crescimento da oferta mundial, contribuindo com o que
corresponde à aproximadamente 45 milhões de toneladas. Neste contexto, o Brasil será
o país responsável pela maior parcela do crescimento, com expectativas de produção de
25 milhões de toneladas de soja.
Neste passo, a industrialização de oleaginosas constitui-se num dos mais
importantes setores do sistema agroindustrial pela importância de seus produtos nas
indústrias siderúrgicas, de cosméticos e da matéria prima no processamento de
alimentos para o consumo humano. Neste setor, inclui-se a industrialização da soja, a
qual passando pelo processo de extração obtém-se como principais produtos o farelo e o
óleo de soja.
Nota-se que das empresas brasileiras nos últimos dez anos, as mais
representativas do sistema produtivo da soja, como o grupo André Maggi e a Caramuru
Alimentos, sob a pressão competitiva das corporações globais, como Bunge, Cargil
ADM e Louis Dreyfus, realizaram investimentos de capacidade produtiva,
diversificação da produção integrada de grão e refinamento de soja (WILKINSON et al,
2009).
Destaca-se que a operação industrial de obtenção do óleo de soja em grande escala
normalmente utiliza solvente orgânico para a extração do óleo presente na semente. O
solvente é separado do óleo. Desta forma, como este óleo ainda contém substâncias
inadequadas para o consumo humano o mesmo passa por várias operações de refino.
Erickson (2000) assevera que o refino de óleo de soja possui a finalidade de eliminar as
impurezas solúveis no óleo a fim de adquirir melhores padrões de qualidade no sabor,
aparência e estabilidade, merecendo como consequência a aceitação do consumidor.
Dentre as operações de refino existe a degomagem, que segundo Dijkstra (1989),
possui a função de produzir um óleo livre de gomas, as quais implicam resíduos
indesejáveis, principalmente no transporte e armazenamento do óleo.
No que tange à operacionalização efetiva da degomagem, vê-se que esta exige
adição expressiva de água ao óleo que forma uma emulsão. Este material passa por um
processo de separação em centrífugas que gera duas correntes. Uma corrente é denominada
de óleo degomado e a outra corrente é formada pelas gomas também designada
industrialmente de lecitina. Ao concretizar esta operação de separação, ocorre um consumo
elevado de água e energia. Além disso, prevalece a preocupação constante com a qualidade
do óleo degomado. Portanto, é fundamental que a degomagem opere nas melhores
condições com o intuito de reduzir o consumo de água, de energia e aperfeiçoar os
parâmetros de qualidade do óleo.
Certamente, vários pesquisadores desenvolveram estudos relacionados à indústria
de óleo de soja para estabelecer as melhores condições operacionais dos processos com o
propósito de minimizar os custos e melhorar a qualidade do produto. Com efeito, Kemper
(1998) publicou um trabalho que quantificava as perdas de solvente na indústria de óleo de
soja, e ainda Kemper (2000) apresenta um trabalho com inovações para a redução do
consumo de energia no Dessolventizaor-Tostador. Paraíso (2001) desenvolveu um estudo
em que modela e analisa as principais operações de obtenção do óleo bruto para a redução
de custos operacionais do processo, e também Oliveira (2001) expôs um trabalho com o
escopo de otimizar a clarificação do óleo no refino.
1.2 OBJETIVOS
2 Este trabalho tem como objetivo geral contribuir para os estudos de refino de óleo
de soja, explorando por meio de simulações o processo de degomagem, com o foco
na identificação e quantificação das perdas que ocorrem no processo.
3 Os objetivos específicos são:
4 - Estudar experimentalmente os parâmetros que afetam as perdas indesejáveis do
arraste do óleo decorrente do processo de centrifugação e a qualidade do produto
final;
5 - Levantar dados operacionais da indústria;
6 - Desenvolver um modelo matemático para o processo de degomagem do óleo que
confere a separação das gomas que seja compatível com os dados experimentais
obtidos nos ensaios;
7 - Validar o modelo com dados industriais;
8 - Avaliar o processo por meio de simulação matemática.
9
Este trabalho tem como objetivo geral contribuir para os estudos de refino de
óleo de soja, explorando por meio de simulações o processo de degomagem, com o foco
na identificação e quantificação das perdas que ocorrem no processo.
Os objetivos específicos são:
- Estudar experimentalmente os parâmetros que afetam as perdas indesejáveis do
arraste do óleo decorrente do processo de centrifugação e a qualidade do produto final
- Levantar dados operacionais da indústria.
- Desenvolver um modelo matemático para o processo degomagem do óleo que
confere a separação das gomas, que seja compatível com os dados experimentais
obtidos nos ensaios.
- Validar o modelo com dados industriais.
- Avaliar o processo por meio de simulação matemática.
9.1 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho encontra-se dividido em 7 capítulos. O presente capítulo
aborda a introdução, bem como as principais contribuições do estudo.
O capítulo 2 apresenta, por meio de uma revisão bibliográfica, os temas tratados
nesta dissertação, como a composição da soja e do óleo de soja; o processo de extração
do óleo bruto de soja e o refino de óleo de soja, com ênfase a degomagem por
hidratação.
No capítulo 3 são apresentados os materiais utilizados na indústria e no
laboratório para a coleta de dados; as metodologias analíticas para caracterização das
correntes de entrada e saída do processo; os experimentos realizados com variações de
parâmetros como dosagem de água, variação de pressão e temperatura;
No capítulo 4 os modelos matemáticos propostos de balanço de massa e forças.
O capítulo 5 apresenta os resultados e discussão dos experimentos e das análises
realizadas.
No capítulo 6 consta a convalidação do modelo matemático proposto e a
simulação do processo.
O capítulo 7 aborda as conclusões do trabalho obtidas a partir dos resultados
mais relevantes. Também são apresentadas e considerações para trabalho futuros.
9.2 PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES DO TRABALHO
Este trabalho visa contribuir cientificamente com análise e simulação do
processo de refino de óleo de soja, em específico a degomagem, de um modo geral,
pouco citado na literatura, porém importante para indústria de óleo de soja.
A modelagem desenvolvida poderá ser utilizada como ferramenta de melhoria
do processo de degomagem, bem como auxiliar nas análises e obtenção de informações
rápidas sobre o processo.
Analisando as dificuldades técnicas e econômicas deste ramo da indústria é que
se decidiu trabalhar ferramentas de análise com objetivo de propor melhorias ao
processo de degomagem, pois segundo Wilkinson (2009) competição na indústria
global de soja elegeu a China como o território de maior atração para investimentos,
tanto em aumento de escala de produção como em diversificação da produção,
ampliando seu escopo para farelo e óleo de soja. Logo, a indústria brasileira deverá cada
vez mais aperfeiçoar seus processos com objetivos de melhorar a qualidade e reduzir os
custos para que o produto se mantenha competitivo no mercado interno e externo.
A seguir, no próximo capítulo, será feita uma revisão bibliográfica com o intuito
de abranger alguns processos no contexto da industrialização de óleo de soja, bem como
colocar conceitos das técnicas e matérias envolvidos no processo.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 ASPECTOS GERAIS
Neste capítulo, será apresentada uma revisão da literatura, com uma abordagem
dos aspectos de toda a cadeia produtiva do óleo de soja. A ênfase da revisão encontra-se
no processo de refino com foco na importância da etapa de degomagem, na busca de
diminuição de custos operacionais, que é de notável interesse da indústria de óleo de
soja.
A revisão bibliográfica elaborada engloba as principais características da soja e
as operações envolvidas na obtenção de óleo bruto e refinado de soja.
Erickson (1980) disciplina que o óleo de soja é um dos óleos vegetais mais
produzidos no mundo devido, além de sua excelente qualidade e baixo custo. Razões
por esta dominância incluem fatores como: características agronômicas favoráveis,
retornos razoáveis para produtores e processadores, alta qualidade na proteína, ser um
óleo comestível e apresentar oferta disponível a preços competitivos.
A produção e a utilização mundial de óleo de soja estão crescendo através do
tempo, superando outros óleos, pois sua utilização envolve uma ampla gama de
produtos, na qual podem ser citadas frituras, margarinas, emulsificante, entre outros,
conforme salienta Gupta (2000).
2.2 A SOJA
. É válido lembrar que antigos cultivadores chineses reconheceram o valor para a
saúde da soja há mais de 5.000 anos atrás, quando o mítico imperador Shen – Mong
declarou ser a primeira das 5 culturas sagradas (INRAM , 2003). A soja detém um
longo significado histórico através da introdução das rotas comerciais por mar e terra
como Ásia, Japão, Coreia e Sudeste da Ásia. Eventualmente, a soja foi introduzida na
Europa pelo Engelbert Karempfer, um cientista sueco que forneceu o nome científico,
Glycine Max, no qual Clycine significa meio gentil e max se refere aos grandes nódulos
da planta do grão de soja.
Pouzet (2000) destaca que o uso da soja por parte do homem remonta desde o
século XV antes de Cristo. Contudo, começou-se a cultivá-la em níveis internacionais
durante o século XX, quando as sementes foram introduzidas nos Estados Unidos para
serem moídas em nível industrial. Posteriormente, foram incorporadas na Europa e no
Sul da América.
De extrema importância para o agronegócio brasileiro, a soja foi inserida no
Brasil em 1908, inicialmente na Região de São Paulo, por imigrantes japoneses. Teve
sua cultura iniciada no Rio Grande do Sul, por volta de 1914. Entretanto, o maior
desenvolvimento do cultivo desta leguminosa no estado gaúcho é da década de 1970,
segundo Amaral et al (2006).
Neste sentido, os Estados Unidos, o Brasil e a Argentina participam com 80% da
produção e 90% da comercialização mundial da soja. No Brasil, a partir dos anos 80 a
cultura da soja deixou de se concentrar apenas no Centro- Sul e expandiu-se para as
regiões Centro- Oeste, assim consolidando a cultura da soja como um dos setores mais
influentes do agronegócio brasileiro.
2.3 COMPOSIÇÃO DO GRÃO DE SOJA
O alto teor de proteína da soja proporciona múltiplas utilizações e a formação de
um complexo industrial destinado ao seu processamento. De acordo com Hammond et
al. (2005), as variações na composição do grão são afetadas por vários fatores
ambientais e geográficos.
A semente da soja em média possui 40% de proteínas, 20% de lipídios (óleo),
5% de minerais, 17% celulose e hemicelulose, 7% de açúcares como glicose, frutose e
sacarose, 5% de fibras brutas e 8% dos oligossacarídeos como rafinose e estaquiose
(ERICKSON, 1980). A média da composição do grão de soja avaliado nos Estados
Unidos se encontra na Tabela 1 abaixo:
Tabela 1 – Composição Típica do grão de soja.
Fonte: Adaptado- HAMMOND et al.(2005)
As definições dos principais componentes do grão de soja estão descritas nos
tópicos abaixo.
Proteínas
As proteínas da soja são constituídas principalmente de globulinas (as quais
representam 90% do total das proteínas e 36% do peso da semente). A presença da
lipoxigenase é decisiva para a qualidade e estabilidade do óleo de soja e também para o
sabor dos produtos derivados da soja em geral. As proteínas são compostas por
aminoácidos, conforme descrito na Tabela 2.
Proteína 40,69 +- 0,51
Lisina 2,56 +- 0,11
Metionina 0,57 +- 0,03
Cisteina 0,72 +- 0,06
Triptofano 0,52 +- 0,05
Thereonina 1,54 +- 0,07
Oléo 21,34 +- 0,64
Cinzas 4,56 +- 0,34
Carboidratos 29,4 +- 3,24
Composição Típica (wt% +- std.dev.) do grão de soja (base seca)
Tabela 2- Composição média dos aminoácidos contidos nas proteínas da soja.
Fonte: Adaptado - ERICKSON (1995) apud CUSTÓDIO (2003)
Carboidratos
Os grãos de soja contêm carboidratos em sua estrutura (representam
aproximadamente 10% do peso), principalmente açúcares solúveis e uma pequena
quantidade de amido (menos de 3% do peso da semente).
Segundo Inran (2003), carboidratos solúveis são compostos de dissacarídeos e
oligossacarídeos (sucrose, rafinose, estáquiose), com quantia de traços localizados de
monossacarídeos (glucose e arabiose).
A soja contém aproximadamente 35% de carboidratos, e a soja descascada e sua
farinha contém cerca de 17% solúveis e 21% de carboidratos insolúveis (PERKINS,
1995).
3,9
4,6
Tirosina
Valina
4,9
5,8
4,8
4,0
1,3
Prolina
Lisina
Serina
Treonina
Triptofano
4,1
18,9
Glicina
Ácido Glutânico
Fenilanina 5,3
2,2
2,0
2,7
4,2
6,9
Cistina
Metionina
Histidina
Isoleucina
Leucina
Aminoácidos Porcentagem média(%)
Alanina
Arginina
Ácido Aspartico
4,2
7,5
12,6
Óleo
O conteúdo total de lipídios varia entre 18 a 23 %. O óleo contém 88,1% de
lipídios neutros que consistem principalmente de triglicerídeos acompanhados de
pequenas proporções de ácidos graxos livres e esteróis. Cerca de 9,8% do óleo é
composto de fosfolipídios e 1,6% de glucolipídios.
Os principais componentes dos lipídios neutros, fosfolipídios e glucolípidios são
os ácidos palmítico, oléico e linoléico.
Tocoferóis
Os tocoferóis representam a vitamina E presente no óleo de soja. A vitamina E é
um dos mais importantes antioxidantes biológicos lipossolúveis. A vitamina E é
extremamente significativa, sendo produzida para ser adicionada à ração animal, na
fabricação de produtos farmacêuticos, no setor de alimentos e no setor de cosméticos.
DORSA (2004) esclarece que a vitamina E foi reportada no início dos anos 20, e
era associada com esterilidade e reprodução, sendo válido ressaltar que a palavra grega
“tocoferol” significa “responsável pela reprodução”.
Minerais e Elementos
As cinzas correspondem a cerca de 5% do grão de soja seco. O maior peso está
atribuído aos sulfatos, fosfatos, carbonatos e oxigênio presentes. Fatores como
variedades, localização do crescimento e irão influenciar no conteúdo de minerais no
grão de soja.
2.4 EXTRAÇÃO DO ÓLEO BRUTO DE SOJA
A produção do óleo bruto de soja basicamente era realizada através da
prensagem mecânica e extração, no entanto o constante aperfeiçoamento da técnica de
extração de óleo é marcado pela busca do aumento da capacidade, com simplificação do
sistema de trabalho, visando melhor qualidade e atenuação do custo.
Paraíso (2001) afirma que o processo de obtenção do óleo está relacionado com
a extração de lipídios das sementes vegetais, tendo como métodos comumente
empregados a prensagem, a extração por solvente ou o misto dos dois processos. No
caso do uso de prensas de alta pressão, apesar de ser bastante flexível para operação de
diversas oleaginosas, este processo está totalmente ultrapassado, já que nunca deixa um
residual muito alto de óleo na torta (4 a 5%), além de consumir muita energia.
O processo de extração a base de solvente é composto das seguintes etapas: a
preparação do grão, a extração, a destilação da miscela (recuperação do solvente da
mistura óleo/solvente), a dessolventização do farelo (recuperação do solvente do farelo),
a recuperação do solvente da saída do ar e a separação do solvente e água. O material
empregado atualmente é a hexana com ponto de ebulição próxima 70°C, sendo que a
soja a ser extraída é previamente triturada e laminada para facilitar a penetração do
solvente.
Uma planta convencional de extração de óleos vegetais por solvente é
constituída pelos processos representados na Figura 1:
Figura 1 - Etapas do processo de extração por solvente.
Fonte: Adaptado- REZENDE (1998) apud CUSTÓDIO (2003)
Conforme apresentado na Figura 1, o processo de extração apresenta um preparo
inicial, no qual são de notável importância os controles da umidade e da temperatura do
material estocado. Geralmente, antes do beneficiamento da soja, os grãos são secos até um
teor de 13% de umidade e armazenados em um período de 1 a 5 dias para que a umidade do
grão entre em equilíbrio.
GRÃOS DO CAMPO
PRÉ-SECAGEM
ARMAZENAGEM LAMINAÇÃO
ARMAZENAGEM
CONDICIONAMENTO
A VAPOR
EXPANSÃOLIMPEZA
SÓLIDOS PARA O
EXTRATOR
QUEBRA E
DESCASQUE
Acasio (2005) enfatiza que a umidade é talvez o principal fator que afeta o
armazenamento da soja, pois, a soja com um teor de umidade maior que 13% deve ser seca
para minimizar o risco de deterioração causada pela respiração da semente, o ataque do
mofo, o aquecimento espontâneo e a germinação.
Quando se recebem grãos muito úmidos, devido às chuvas na época da colheita,
torna-se necessário a re-secagem, ou seja, o grão seco novamente fica armazenado em silos
verticais durante um determinado período para que se tenha uma migração da umidade para
superfície do grão e se estabilize. Em seguida, o grão é novamente seco. (DORSA 2004).
Outro fator de nobre importância, não só para a qualidade do produto, mas também
para a conservação da matéria-prima é a limpeza da soja. Nesta etapa, convém retirar
materiais que podem contaminar os produtos ou até mesmo limitar a capacidade de
extração.
Os materiais estranhos são geralmente removidos duas vezes, primeiro para o
armazenamento e novamente antes das sementes entrarem no processo contínuo. Os
materiais estranhos removidos consistem na combinação de sementes de ervas daninhas,
gravetos, vagens, poeira, terra, pedra e pedaços de metais.
De acordo com Moretto & Fet (1986) a pré- limpeza antes do armazenamento
diminui o risco de deterioração da soja e evita o uso indevido do espaço útil do silo.
Na etapa de preparação, a soja passa inicialmente por moinhos quebradores, no qual
é reduzida, na primeira passagem a ½ grão e na segunda passagem a ¼ de grão. Quando se
deseja a produção de um farelo de alto teor proteico, é efetuada a separação das cascas entre
a primeira e segunda quebra, através de separadores por aspiração do tipo cascata (DORSA
2004).
As sementes quebradas são acondicionadas em cozinhadores a 70°C.
Posteriormente são laminadas a uma espessura de aproximadamente 0,3 mm, sendo
proveitoso lembrar que o termo “distorção de lâmina” é mais apropriado para esta
operação, porque a maioria das células se rompe, liberando a grande parte do óleo e
facilitando o processo de extração (ONG, 2005).
A etapa de laminação, segundo Moretto & Fett (1986), facilita o rompimento do
tecido e das paredes da célula, restringindo a distância entre o centro da semente e sua
superfície, maximizando assim a superfície de saída de óleo.
Kemper (2005) constata que a maioria dos materiais oleoginosos é expandida
antes da extração por solvente. A expansão distorce a estrutura celular do material e
diminui a distância que o solvente necessita para chegar ao óleo que está na célula do
material oleoginoso.
A expansão do grão é realizada com a utilização de um expansor de grão,
baseado no equipamento da Andersen. De acordo com Brueske (2000) os expander
funcionam mediante uma combinação de pressão e vapor na torta formando pellets
porosos. Estes pellets, geralmente são conhecidos como collet, os quais tornam o
processo de extração mais fácil.
O extrator é o aparelho, no processo de extração com solvente, no qual a
fração de óleo do material oleaginoso é separado a partir da fração de alimentação do
material oleaginoso por dissolução da fração de óleo num solvente. (KEMPER, 2005)
Como resultado, a extração consiste em dois processos: um deles, o rápido e
fácil, que é o de “dissolução” e o mais demorado, o qual depende da “difusão” de óleo e
solvente através da parede celular semipermeável. A solução de óleo no solvente é
chamada “miscela”, sendo o fator que define a velocidade da extração, ou seja, é a
obtenção do equilíbrio no sistema óleo-miscela-solvente (MORETTO & FETT, 1986).
Nota-se que para a correta extração é necessária a quantidade satisfatória de
solvente limpo para manter a concentração da miscela suficientemente baixa. Isso
proporcionará retirar a maior quantidade de óleo em cada etapa da extração e conseguir
um bom contato e penetração, de maneira que o solvente entre em contato com o óleo e
seja capaz de extrair as partículas da matéria, bem como possa dispor do tempo hábil
para permitir que tenha lugar o processo de difusão. (BRUESKE,2000)
Dorsa (2004) corrobora que os extratores mais comuns são do tipo esteira
contínua, com ou sem caçambas (Lurgi, De Smet, Crown), ou do tipo Rotocel/Carrossel
(EMI, Krup, French).
Após o processo de extração, a miscela concentrada passa por uma unidade de
destilação para remoção dos finos, na qual o óleo é separado sob vácuo e aquecimento.
O hexano residual é dividido por evaporadores tubulares aquecidos a vapor. O conteúdo
de solvente pode ser reduzido até cerca de 5%, à temperatura de 70 a 90°C (MORETTO
& FETT ,1986).
Uma série de países exigem exames analíticos quanto ao armazenamento do
óleo, que determinam o “ponto de fulgor”, sendo uma forma de referência segura para a
característica de um óleo. Por exemplo, o ponto de fulgor de um óleo extraído na
Alemanha não deverá ser abaixo de 150°C.
Para possibilitar o uso do farelo de soja é necessário eliminar todo o hexano
absorvido, tostar o farelo para reduzir sua atividade ureática, resfriá-lo e estabilizar sua
umidade em torno de 12%. Este processo é chamado de dessolventização e tostagem do
farelo.
Observa que a principal causa da perda de hexano no processo de extração de
óleo ocorre a partir da mistura incondensável formada entre seus vapores e o ar. A
recuperação do solvente existente nesta mistura acontece em uma unidade de
condensação formada por condensadores tubulares resfriados ou em instalações
modernas, por colunas de adorção com óleo mineral.
A Figura 2 apresenta um sistema completo de extração com solvente.
Figura 2 – Sistema completo de extração com solvente
Fonte: Adaptado – DORSA (2004)
2.5 REFINO DE ÓLEO DE SOJA
Dijkstra (2000) identifica que o refino de óleos comestíveis tem como objetivo
eliminar impurezas indesejáveis que afetam o sabor, o aroma, a aparência e a
capacidade de armazenamento.
Segundo Moretto e Fett (1986) os componentes que devem ser removidos são:
- Substâncias coloidais, proteínas, fosfatídeos e produtos de sua decomposição;
- Ácidos graxos livres e seus sais, ácidos graxos oxidados, lactonas, acetais e
polímeros;
- Substâncias voláteis, tais como hidrocarbonetos, alcoóis, aldeídos, cetonas e
ésteres de baixo peso molecular;
- Substâncias inorgânicos tais como os sais de cálcio e de outros metais silicato,
fosfatos e outros;
- Umidade.
A finalidade do refino é apartar as impurezas solúveis no óleo, caracterizando-se
como indispensável para conseguir sabor, aparência e estabilidade aceitáveis pelo
consumidor. (ERICKSON 2000)
As operações unitárias envolvidas na purificação do óleo de soja são:
Degomagem, Neutralização, Branqueamento e Desodorização. Os fosfatídeos e
complexos metálicos são eliminados na degomagem. Os ácidos graxos livres são
retirados na neutralização. Durante o branqueamento os produtos de oxidação são
eliminados, juntamente com traços de gomas e sabões que restaram da neutralização.
A etapa final de desodorização serve para suprimir os ácidos graxos livres que
restaram das etapas anteriores, além de alguns pigmentos residuais, sabores e odores
indesejáveis. Dentre todas as substâncias que foram extintas durante o processo, existem
aquelas que são desejáveis que permanecem, pois sua presença valoriza o produto, tais
como as vitaminas lipossolúveis e os tocoferóis, que são substâncias antioxidantes, as
quais protegem o óleo contra a deterioração por oxidação.
A Figura 3 apresenta o fluxograma básico do processo de refino.
Figura 3 - Diagrama de um processo de refino de óleo de soja convencional.
Fonte: Adaptado de HAMMOND et al. (2005).
2.5.1 Definição do Óleo de Soja
De acordo com a Portaria n. 795, de 15 de dezembro de 1993 do Ministério da
Agricultura, do Abastecimento e Reforma Agrária, “óleo de soja é o produto obtido por
prensagem mecânica e/ou extração por solvente, dos grãos de soja (Gluycine max. L
Merril), isento de misturas de outros óleos, gorduras ou outras matérias estranhas ao
produto” (BRASIL,1993).
A mesma portaria classifica o óleo de soja segundo o seu grau de elaboração:
Bruto ou cru: é o óleo tal qual foi extraído do grão;
Degomado ou purificado: é o óleo que, após sua extração, teve extraído
os fosfolipídeos;
Refinado: é o óleo que, após sua extração e degomagem, foi neutralizado,
clarificado e desodorizado.
As principais características de qualidade do óleo referente a está portaria
constam na Tabela 4.
Tabela 3 – Características de qualidade do óleo de soja: bruto (único), degomado (tipos
1, 2,3) e refinado ( tipos 1 e 2).
*1- límpido, isento de sedimento.
*2- odor e sabor característico do produto isento de ranço odores e sabores estranhos.
*3- límpido, ligeiramente turvo, isento de sedimentos.
*4- límpido, ligeiramente turvo.
Fonte: Adaptado - Portaria n°795 do Ministério da Agricultura, do Abastecimento e da Reforma
Agrária.
As composições dos óleos de soja brutos e refinados são apresentadas na tabela
4.
Tabela 4 – Composição média do óleo bruto e refinado.
Componentes Óleo Bruto Óleo Refinado
Triglicerídios (%) 95-97 >99
Fosfatídios (%) 1,5 – 2,5 0,003 – 0,045
Insaponificavéis(%) 1,6 0,3
Esteróis (%) 0,33 0,13
Tocoferóis (%) 0,15 – 0,21 0,11 – 0,18
Hidrocarbonetos (%) 0,014 0,01
Ácidos graxos livres (%) 0,3 – 0,7 < 0,05
Resíduos de metais
Ferro (ppm) 1 a 3 0.1 - 0.3
Bruto
1 2 1 2 3 Único
Apecto a 25°C *1 *1 *1 *3 *4 turvo
Propriedades Organolépticas * 2 * 2 _ _ _ _
Umidade e voláteis(máx.)(%) 0,03 0,06 0,2 0,3 0,5 0,5
Lecitina expressa em fósforo (máx.)(%) _ _ 0,02 0,02 0,03 0,1
Acidez Livre (FFA) expressa em ácido oléico 0,03 0,06 0,5 1 1,5 2
Ponto de fulgor (mín.)(°C) _ _ 121 121 121 _
Ponto de fumaça (mín.)(°C) 230 218 _ _ _ _
Matéria insaponificável (máx.)(%) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Indíce de peróxido (máx.)(meq/Kg de óleo 2,5 5 _ _ _ _
Sabões (máx.)(ppm) 1 10 _ _ _ _
Impurezas ( ins. em éter de Petróleo (%)) 0,03 0,05 0,1 0,1 0,1 0,5
Parâmetro analisadoRefinado (tipo) Degomado (tipo)
Características de Qualidade
Cobre (ppm) 0,03 – 0,05 0,02 – 0,06
Fonte: Adaptado – ERICKSON (1980).
De acordo com Erickson (1980), o óleo de soja tem muitas vantagens e
desvantagens quando comparadas a outros óleos vegetais.
Entre as vantagens citadas pelo autor acima tem-se:
Alto nível de insaturação.
O óleo permanece líquido mesmo com oscilações relativamente grandes
de temperatura.
Pode ser seletivamente hidrogenado.
Os fosfatídeos, restos de metais e sabões podem ser removidos sem muita
dificuldade para obter um produto de alta estabilidade.
A presença de antioxidantes naturais (tocoferóis), os quais não são
completamente eliminados durante o processamento, também contribui para a sua
estabilidade.
As desvantagens segundo Erickson (1980):
Os fosfatídeos se encontram presentes em quantidades relativamente
altas (superiores a 2%) e devem ser eliminados no processamento.
O óleo de soja contém níveis relativamente altos (7 – 8%) de ácido
linoléico que é responsável pela reversão do seu sabor e odor. Algumas destas
desvantagens são contestadas visto que as “gomas” recuperadas constituem uma
fonte de obtenção de lecitina comercial e por meio de hidrogenação seletiva e parcial
do óleo, a concentração do ácido linoléico pode ser reduzida a menos de 3% dando
como resultado aumento da estabilidade. A partir da extração do óleo bruto da
semente de soja, o produto para ser utilizado na fabricação de óleo de cozinha, por
exemplo, precisa passar por um refinamento para ganhar estabilidade, se tornar puro
e nutritivo. A parte sólida extraída do processo de extração é destinada à
alimentação de animais como aves, suínos e gado de corte.
Ácidos Graxos
Os ácidos graxos são os ácidos carboxílicos encontrados na forma esterificada
nos lipídios naturais. Os ácidos graxos de números ímpares e carbono são encontrados,
por exemplo, na gordura do cabelo humano. Os ácidos graxos podem ser saturados,
monoinsaturados, poliinsaturados As insaturações variam na posição e na composição
das duplas ligações (FRÉ, 2009).
Para Scrimgeour (2005), os ácidos são ácidos graxos de cadeia quase
inteiramente retas carboxílicas alifáticas. A definição mais ampla inclui todos os
comprimentos de cadeia, mas a maioria de ácidos gordos naturais tem C4 a C22, C18
como formas mais comuns.
Os ácidos graxos de “saturados” são os que possuem todos os átomos de carbono
da cadeia hidrocarbonada ligados aos pelo menos dois átomos de hidrogênio. Por outro
lado, quando uma ou mais duplas ligações, gerando carbonos ligados a um só átomo de
hidrogênio eles são chamados ácidos “insaturados” (MORETTO & FETT, 1986).
Do ponto de vista metabólico e mesmo patológico, para Fré (2009), tem sido
importante precisar a posição da última dupla ligação dos ácidos graxos. A informação
fornecida está associada com grupos ou famílias de ácidos graxos, como exemplo,
família ômega-3, ômega-6, ômega- 9 os quais podem apresentar atividades biológicas
diferenciadas. A Tabela 5 mostra a composição média dos ácidos graxos e sua variação.
Erickson (1980) ensina que a composição do óleo de soja bruto possui uma
grande variação, particularmente pelo tipo de insaturação do ácido graxo, que depende
da variedade e das condições climáticas.
Não Glicerídeos
Moretto & Fett (1986) destacam que em todos os óleos e gorduras, encontramos
pequenas quantidades de componentes não glicerídeos: os óleos vegetais brutos contêm
menos de 5%, nos óleos vegetais refinados, menos de 2%. Na refinação, alguns desses
componentes são removidos completamente, outros parcialmente. Aqueles que
persistem no óleo acabado, ainda que em traços, podem afetar as características das
gorduras devido a alguma propriedade peculiar, como exemplo apresentar ação pró ou
antioxidante, ser fortemente odorífero, ter sabor acentuado, ser altamente colorido, entre
outros.
Os não glicerídeos que ocorrem com maior freqüência são os fosfatídeos no óleo
bruto entre 1,1 e 3,1%. O componente fosfatídico do óleo de soja consiste de 20% de
lecitinas, 31% de cefalinas e 40% de fosfatil inositol, conforme Fré (2009).
Conforme Moretto & Fett (1986), os esteróis, as ceras e os hidrocarbonetos
incolores são não glicerídeos de menor importância para as características dos óleos e
gorduras por serem incolores, inodoros, insípidos e relativamente inertes do ponto de
vista químico e não emprestam nenhuma propriedade organoléptica.
Sipos e Szuhaj (2000) salientam que a matéria do óleo de soja é composta por
vários componentes menores que tem valores comercias, tais como os fitosteróis e os
tocoferóis. Existem no mínimo sete tipos de tocoferóis no óleo de soja, no entanto o que
se encontra em maior quantidade é o gama tocoferol. O alfa tocoferol por sua vez possui
maior atividade de vitamina E, no entanto o sigma tocoferol funciona melhor como
antioxidante.
A composição aproximada dos esteróis no óleo de soja é 52% de Beta –
sitosterol, 25% de compesterol e 23% stigmasterol. No caso dos tocoferóis é de
aproximadamente de 7,6 % de alfa tocoferol, 1,5% de beta tocoferol, 67,8% de gama
tocoferol e 23,6% de sigma tocoferol. Há variações consideráveis entre variedades de
plantas e proporção da espécie molecular de esteróis e tocoferóis (HAMMOND et al,
2005).
No grupo dos não glicerídeos são destacados os carotenoides e a clorofila
responsáveis pelas colorações dos óleos e gorduras. Os carotenoides são os principais
responsáveis pela coloração amarelo/vermelho na maioria dos óleos e gorduras, já a cor
esverdeada é devido a clorofila (MORETTO & FETT, 1986).
As propriedades físicas de ácidos graxos podem variar de acordo com o seu
comprimento de cadeia, insaturação, outros substituintes e as alterações com a
temperatura. Inúmeras tentativas foram feitas para desenvolver equações que predizem
estas propriedades. As propriedades do óleo de soja devem refletir seus constituintes e,
principalmente, a sua composição em ácidos graxos e propriedades físicas, os quais têm
sido frequentemente medidos. (HAMMOND et al, 2005)
Através da Tabela 5 é possível verificar algumas propriedades típicas do óleo de
soja.
Tabela 5 – Representação das Propriedades Físicas do Óleo de Soja.
Propriedades Valor
Gravidade específica, 25 °C 0,9715
Indíce de Refração, nD25 1,4728
Refração específica, r20 0,3054
Viscosidade em centipoise 25 °C 50,9
Ponto de solidificação (°C) -10 a -16
Calor específico (cal/g a 19.7 °C) 0,458
Calor de combustão (cal/g) 9478
Ponto de fumo [°C (°F)] 234 (453)
Ponto de inflamação [°C (°F)] 328 (623)
Ponto de combustão [°C (°F)] 363 (685)
Fonte: Adaptado - SIPOS & SZUHAJ ( 2005)
2.5.2 Processo Industrial
Observa-se que o processo de refino é uma combinação de processos químicos e
físicos. Dentre as principais operações, a Neutralização com álcalis é um processo
químico, enquanto que os demais são processos físicos, de adsorção no branqueamento
e destilação na desodorização.
Pode-se classificar o processo de refino de óleos vegetais em processo de Refino
Físico e Processo de Refino Químico, no qual a principal diferença está no processo do
refino Físico que se divide em apenas três etapas: degomagem, branqueamento e
desodorização. A etapa de neutralização é eliminada e substituída pela destilação dos
ácidos graxos livres.
O processo de refino químico é o mais utilizado pelas indústrias no Brasil. Para
Erickson (2000), o óleo de soja refinado fisicamente nem sempre apresenta uma vida de
prateleira adequada. A incerteza em relação à duração de vida de prateleira
provavelmente está relacionada à quantidade de gomas- não hidratáveis que o óleo de
soja apresenta.
Segundo Sá (2007), no refino químico, durante a etapa de neutralização dos
ácidos graxos livres com soda cáustica, uma quantidade considerável de óleo neutro é
saponificada e arrastada com a formação de sabão.
De acordo com Moretto & Fett (1986), a contínua melhora de qualidade dos
óleos brutos, com decréscimo de acidez diminui as vantagens do processo físico.
Considerando a baixa acidez e a dificuldade de sua satisfatória degomagem, o óleo de
soja não parece apresentar uma matéria–prima própria para refinação física.
A refinação química para óleos de baixa acidez como é o caso da soja,
normalmente é mais econômica que a refinação física considerando o processo de forma
global. (BLOCK, 2000)
A Figura 4 mostra uma comparação entre os dois processos, está incluída a etapa
de winterização, no entanto é somente aplicável para óleos que possuem uma grande
quantidade de ceras, como o óleo de girassol.
Figura 4 - Comparação dos Processos Químicos e Físicos de Refino
Fonte: Adaptado - EICKHOFF P. K. (2000)
A seguir será detalhada a operação de degomagem.
2.5.3 Degomagem
Anderson (2005) observa as razões para realizar a degomagem de óleos são:
- Fornecer um óleo degomado para longo tempo de estocagem.
- Preparar o óleo para o refino físico e químico.
- Produzir lecitinas.
A degomagem é uma etapa de grande importância no processo de refino, pois
nesta etapa as gomas devem ser extraídas pelos seguintes motivos:
- Alto teor de gomas na neutralização leva a uma utilização em excesso de
agente neutralizador;
- No processo de refino que trabalha com neutralização simplificada, ocorre
hidratação destas gomas provocando o arraste de “óleo virgem” por oclusão baixando o
rendimento entre o óleo consumido e o óleo neutralizado;
- Durante a centrifugação na etapa de neutralização, ocorrerá mistura de várias
fases, como óleo, sabões, gomas e soda em excesso, o que prejudicará a separação e
trará teores altos de sabões.
Medina (1996) salienta que um óleo normal de boa qualidade proveniente de
uma extração convencional terá cerca de 90% de fosfatídeos hidratáveis e 10% de
fosfatídeos não hidratáveis e seu conteúdo total de fosfatídeos será na faixa de 1,1 a
3,2%. Dorsa (2004) reflete que é necessário prevenir problemas de decantação e
formação de um lodo durante a estocagem ou transporte. Está decantação ocorre devido
os fosfatídeos serem higroscópicos e se hidratarem com a umidade do ar.
Analisando os diferentes fosfolipídios presentes no óleo é possível verificar,
conforme exposto na Tabela 6 que a fosfatidilcolina (FC) e o fosfadilinositol (FI) possui
uma hidratação relativamente rápida. Já os sais de cálcio do ácido fosfatídico (AF) e a
fosfadiletanolamina (FE) são parcialmente hidratáveis.
Tabela 6 – Velocidade relativa de hidratação de diferentes fosfolipídios a 80°C.
Fontes: Adaptado - DIEZ (2000)
A degomagem é opcional no caso dos óleos, tais como, de amendoim ou babaçu,
que contém pequenas quantidades das chamadas “gomas”, mas geralmente é aplicado
ao óleo de soja cujo conteúdo de fosfatídeos alcança às vezes 3%. Estes fosfatídeos são
facilmente hidratáveis na presença de água e tornam-se insolúveis no óleo o que
possibilita sua remoção (MORETTO & FETT, 1986).
Dos componentes do óleo de soja, aproximadamente 2 a 2,5% são fosfolipídios,
dentro dos quais incluem as gomas conhecidas comercialmente como lecitina. Apesar
de a lecitina representar menos que 0,5% da soja, ela é um dos constituintes mais
interessantes e dinâmicos de todos que se encontram presentes, pois a utilização da
lecitina em tantos produtos alimentícios e nos alimentos faz com que ela seja um
subproduto muito importante da indústria processadora de soja. (SINRAM, 2000)
As especificações de comercialização de óleo de soja degomado são fixas para
um limite superior menor que 200 ppm para o fósforo residuais especificados pela
NOPA (National Oilseed Procesors Association), onde em contratos comerciais são
previstos aumentos de preço no óleo que excede este limite como forma de compensar
as indústrias nas perdas que terão nas etapas de refino.
Os principais métodos de degomagem utilizados pelas indústrias são: com água,
ácida, superdegomagem, enzimática e por membranas. Os dois primeiros são os mais
usados devidos seu baixo custo de operação e por obter resultados satisfatórios no
processo (RIBEIRO et al., 2008).
16
1
9
0,6
FE (Fosfatidiletanolamina)
FE (Sais de Ca)
AF ( Ácido Fosfatídico)
AF (Sais e Ca)
Fosfolípidio Velocidade hidratação
FC (Fosfatidilcolina)
FI ( Fosfatidilinositol)
FI ( Sais de Ca)
100
44
24
Degomagem por Hidratação
O objetivo principal da degomagem por hidratação, segundo Dijkstra (2000), é
produzir um óleo que não deposite resíduos durante o transporte e armazenagem e
cumpra as especificações comerciais sobre as quantidades máximas de fósforo e
produza lecitina comercial, visto que apenas 25% das gomas de soja existentes são
processadas como lecitina comercial.
De acordo com Erickson (2000), é comum que os processadores alcancem níveis
residuais menores que 100 ppm com a degomagem aquosa.
Comumente a operação de degomagem está interligada diretamente com o
processo de extração de óleo de soja. Assim o óleo que sai das colunas de destilação,
ainda quente, é submetido à operação de hidratação e degomagem.
Conforme List (1989), dois principais métodos são empregados. Nos Estados
Unidos é utilizado a degomagem em lotes e nas plantas da Europa é mais comum a
degomagem contínua.
A quantidade de água, a temperatura e a eficiência da centrifugação são os
fatores que mais influenciam na oclusão do óleo. Santos e Zaneti (1981) ensinam que se
utiliza 0,5 a 3% de água normalmente, determinando-se a proporção mais adequada
através de ensaios em laboratórios. Em linhas gerais a temperatura de separação situa-se
entre 55 e 82°C, sendo mais adequada a centrifugação a 75°C
A condição recomendada para a degomagem de óleo bruto varia muito entre as
literaturas conforme exposto na Tabela 7.
A maioria destas condições é aplicável a degomagem em lote que consiste
basicamente na adição de 1 a 3% de água ao óleo aquecido e agitação durante 20 a 30
minutos. Formando um precipitado que é removido por centrifugação. A água utilizada
no processo possui uma baixa concentração de cálcio e magnésio.
Independente do objetivo da degomagem aquosa, seja produção de lecitina ou
óleo degomado, o processo deve controlar a quantidade de água, intensidade e tempo
adequado para a centrifugação (ERICKSON, 2000)
A degomagem também pode ser efetuada de maneira contínua onde o óleo é
bombeado até um trocador de placas, onde é aquecido à temperatura desejada. O óleo
flui ao misturador centrífugo sobre a pressão de uma bomba, que possibilita um contato
íntimo entre a água e o óleo. O tempo de hidratação é reduzido há alguns minutos neste
processo e a hidratação deve ser da ordem em que as gomas separadas pela centrífuga
tenham 50% de água e 50% de lecitina. A temperatura ótima para este processo está
entre 70 a 80°C. A Figura 5 é uma ilustração esquemática de uma instalação de
degomagem com água continua.
List (1989) realça que com o aumento da temperatura na degomagem consegue-
se um aumento no conteúdo de insolúveis em acetona (AI), por exemplo, degomango a
40°C, a lecitina contém de 63 a 65% de AI, acima de 60°C ocorre um aumento de 68 a
75%. Logo, a temperatura é um fator que influencia no comportamento dos
componentes separados no processo de degomagem, tornando-se uma variável relevante
a analisar, pois, se a mesma influência ocorrer no comportamento do óleo arrastado na
lecitina, compromete-se o rendimento do processo.
Tabela 7 - Condições de Degomagem na Literatura.
Fonte: Adaptado - LIST, R. (1989)
Carr (1976)
Braae (1976)
30-60 minutos
10-15 minutos
Andersen (1973)
Vigorosa
Agitação Mecânica
Bernadini (1973)
Carr (1976)
Craumer (1972)
32-49°C
50-70°C
65-75°C
70°C
Norris (1964)
Van Niewenhuyzen
Bernadini (1973)
Bernandini (19730
Norris (1964)
Carr (1976)
Braae (1976)
Andersen (1953)
Brian (1976)
3% do peso total
2% do peso total
1% do peso total
Igual ao peso das gomas
2-5% do peso total
Referência
Van Niewenhnyzen (1976)
Parâmetros
Água
Temperatura
Agitação
Tempo
Quantidades
75% do peso de gomas
1-2,5% do peso total
2-3% do peso total
Figura 5 – Instalação de degomagem com água.
Fonte – DORSA (2004)
Degomagem ácida simples
Este processo é realizado quando existe a necessidade de remover os fosfatídeos
não hidratáveis, logo é preciso transformar os complexos metalicos e fosfatídeos em
sais metálicos insolúveis em óleo e ácido fosfatídico.
De acordo com Dijkstra (2000) o objetivo desta degomagem é decompor os
complexos de ácidos fosfátidico e fosfatidil etanolamina com íons bivalentes e
convertê-los em ácidos livres, o ácido do degomado deve ser suficiente forte, logo se
utiliza sua forma concentrada.
Segundo Givon e Tirtiaux (2000) este processo é realizado aquecendo o óleo
bruto a uma temperatura entre 80-90 °C e fazendo uma mistura com ácido fosfórico ou
cítrico, e com um tempo de retenção de aproximadamente 5 -20 minutos e então é
misturado com um percentual de água de 2-5% antes de enviar para centrifugação,
conforme Figura 6.
.
Óleo Bruto
-Acidez
-Umidade
-Fosfato
óleo degomado
+ - 55 ºCGomas
+ - 50% de Umidade
+ - 50% (+ - 68% Fosfatideos,
+ - 30% e + - 2% Umidade)
Trocador de Calor
CentrifugaÁgua Quente
-80 a 90ºC
+ - 3%
T500
Hidratador
+ - 35 min.
Bomba
80 a 85ºC
90 a 95ºC
Ejetor Vácuo
Secador a Vácuo
+ - 500 MMHg
30Ton
Vazão = 22 ton./h
Vazão mássica = 12,83 ton.
Condensador
Barométrico
Óleo degomado
Figura 6 - Processo de degomagem ácida simples.
Fonte: Adaptado - GIVON & TIRTIAUX (2000)
Degomagem Especial
O processo de degomagem especial da Alfa-Laval exposto na Figura 7, também
chamado de refinação ácida foi desenvolvido para óleos com altos conteúdos de
fosfátideos como soja e girassol (GIVON & TIRTIAUX, 2000).
Neste processo os fosfatídeos não hidratáveis se decompõem primeiro com um
ácido suficientemente concentrado em íons metálicos bivalentes, como cálcio e
magnésio. Depois deste tratamento, o acido fosfatídico e o fosfatidil etanolamina se
encontram em sua forma ácida e dissociada (DIKSTRA, 2000).
Portanto, se neutraliza parcialmente com soda cáustica, e posteriormente há uma
etapa de hidratação com adição de 2% de água e agitação lenta durante 5- 15 minutos,
para permitir a aglomeração dos fosfatídeos. Finalmente, ocorre a centrifugação,
obtendo um óleo de 5 a 30 ppm de fósforo, o que depende da qualidade do óleo bruto.
(BLOCH, 2000)
Figura 7 - Degomagem Especial da Alfa Laval.
Fonte: Adaptado - DIEZ (2000).
TOP (Total Degumming Process) Degomagem
No processo de Degomagem TOP o óleo bruto é aquecido de 90-105°C é
misturado intensamente com ácido fosfórico, depois de um tempo de retenção de
aproximadamente 3 minutos, o ácido fosfórico é parcialmente neutralizado com soda
cáustica diluída e os compostos são separados por meio de centrífugas (GIVON e
TIRTAUX, 2000). O processo está ilustrado na Figura 8.
Figura 8 - TOP Degomagem.
Fonte: Adaptado - DIEZ (2000)
Este processo exposto na Figura 8 produz óleo com níveis de fósforo menores de
5 ppm, com alto rendimento, baixos custos e elimina problemas de poluição. O segundo
separador, um clarificador, opera de maneira diferente e produz um óleo praticamente
sem goma e uma fase de gomas (DIKSTRA 2000).
Super/Uni Degomagem
Dorsa (2004) afirma que estes processos têm as seguintes características:
- Refinação alcalina simplificada com considerável redução na poluição
ambiental.
- Mínimo uso de terra clarificante para o refino físico.
- Hidrogenação sem prévio refino.
Na Super-degomagem, o óleo bruto degomado com água é aquecido a 70°C,
opcionalmente se adiciona lecitina modificada com o óleo e logo acrescenta uma
solução forte de ácido cítrico como ácido de degomagem para decompor os fosfatídeos
não hidratáveis (DIKSTRA,2000)
O este processo está exposto na Figura 9.
Figura 9 - Diagrama do fluxo do processo de super-uni degomagem.
Fonte: Adaptado – DIJKSTRA (2000).
Degomagem por Ultrafiltração
A degomagem com membrana consiste na formação de uma miscela quando o
óleo, rico em fosfolipídios, entra em contato com o hexano. A miscela se separa por
ultrafiltração. Na prática é muito inovador o processo, no entanto custoso em termos e
custos de inversão inicial e operação e por isso não é adequada à aplicação industrial
(GIVON & TIRTIAUX, 2000).
A Figura 10 demonstra o fluxo do processo, e segundo o mesmo autor citado
antes o óleo é aquecido e misturado com ácido para acondicionar os fosfatídeos, logo
em seguida é esfriado num tanque de retenção, dosado com um agente de floculação e,
se for necessário, se adiciona água ao óleo antes de passar em um misturador no qual as
gomas se coagulam. Depois, o óleo é aquecido, centrifugado e eventualmente lavado e
centrifugado antes de entrar no branqueamento.
Figura 10 - Degomagem por ultrafiltração
Fonte: Adaptado - GIVON & TIRTIAUX (2000).
Não são encontrados na bibliografia informações sobre os resultados deste
processo quanto ao conteúdo final de fósforo, ferro, rendimentos, entre outros (DIEZ
2000).
Degomagem da planta de refino em análise
O processo de degomagem em análise é interligado a uma planta de extração de
óleos vegetais por meio da qual envia o óleo para degomagem a uma temperatura média
de 98°C. O óleo passa por um tanque onde é adicionado água para hidratação. Após a
hidratação, o óleo passa por uma centrífuga de disco Alfa Laval onde ocorre a separação
da lecitina, logo o óleo degomado segue para um tanque flash para a secagem antes da
transferência para o processo de neutralização. Os controles de vazão e hidratação são
realizados via sistemas de supervisão.
Dentre todas as etapas descritas anteriormente no processo de degomagem, a
centrifugação é a etapa mais importante, pois é nesta operação que ocorre a eliminação
dos fosfatideos hidratáveis. A centrifugação é uma técnica antiga que se caracteriza
pela aplicação de forças centrifugas com a intenção de aumentar a velocidade de
sedimentação de partículas a serem separadas de uma mistura.
Segundo Foust et al (2000), este tipo de centrifugador de discos foi
inventado por Del Laval, em 1978, e é usado até desde então com grande generalidade,
numa ampla diversidade de aplicações como separação de creme de leite, separação de
catalisadores, refinação de óleos, etc.
Para Harten (2000) a centrífuga deve ser utilizada para separar líquidos de
densidades diferentes, nos quais são imiscíveis entre si. A mistura de líquido ingressa
num tambor rotativo e através de um tubo de alimentação estacionário. A distribuição
do mesmo é acelerada a uma velocidade angular e o recipiente envia o óleo bruto
hidratado para uma coluna de discos.
Geankoplis (2003) destaca que a fim de intensificar a eficiência de separação,
um separador centrifuga opera com vários discos cônicos empilhados. Os discos são
espaçados por meio de vedantes que podem ser longos ou curtos: longos vedantes ou
vedantes pontos, na maioria dos casos, os discos apresentam furos, que fazem
distribuição através de canais através dos quais a alimentação entra na pilha de discos.
Para Svarovsky (2000), a alimentação é introduzida através do centro, passa por baixo
da pilha de disco girando a uma determinada velocidade angular.
2.5.4 Lecitina
Em 1920 se produziu a primeira lecitina comercial a partir de sedimentos de
soja, mas foi em 1930 com a difusão da extração de óleos com solvente e a necessidade
de transportar o óleo com estabilidade é que estas gomas começaram a serem
produzidas em quantidades suficientes para comercialização. (BRAVERMAM, 2005).
A variação entre os entre as composições dos fosfolipídios e as gorduras
ácidas da lecitina estão nas Tabelas 8 e 9.
Tabela 8 - Componentes da Lecitina de Soja.
Fonte: Adaptado- CHERRY & KRAMER (1989).
De acordo com Scheneider (1989), a lecitina é um complexo de mistura de
fosfatídeos insolúveis em acetona, combinados com várias quantidades de substâncias
como triglicerídeos, gorduras ácidas e carboidratos.
List (1989) salienta que a lecitina da centrifugação contém 25 a 30% de água
que deve ser removida rapidamente para evitar um processo de fermentação microbiana.
Segundo Sinram (2000), as gomas úmidas requerem um processamento rápido de
purificação, pois as mesmas contêm cerca de 40% de umidade e raramente é possível
vender gomas úmidas de maneira comercial, devido a sua instabilidade microbiológica.
Tabela 9 - Gorduras Ácidas da Lecitina.
Fonte: Adaptado- CHERRY & KRAMER (1989).
Limites de composição
Fosfatidilcolina
Componentes
-
-
-
-
29,6
-
-
-
14,3-15,4
Superior(%)
41,0-46,0
31,0-34,0
19,0-21,0
14
Lysofosfatidiositol
Lysofosfatidilserina
Ácido Lysofosfatidico
Fitoglicolipidios
Intermediário(%)
29,0-39,0
20,0-26,3
13,0-17,5
5,0-9,0
5,9-6,30,2
0,4-1,8
1
1
-
Fosfatidietonalamina
Fosfatidilinositol
Fosfatidilserina
Lysofosfatidilcolina
Inferior (%)
12,0 -21,0
8,0 -9,5
1,7-7,0
0,2-1,5
Limites de composição
Mirísitico
Araquidico 1,4-2,3 - -
Linoleico 17,1-20,0 37,0-40,0 55,0-60,8
Linolênico 1,6 4,0-6,2 9,2
Esteárico 3,7-4,3 9,3-11,7 -
Oléico 6,8-9,8 17,0-25,1 39,4
Palmítico 11,7-18,9 21,7-26,7 42,7
Palmitoléico 7,0-8,6 - -
Inferior (%) Intermediário(%) Superior(%)
Componentes
0,3-1,9 - -
Sob o aspecto de utilização da lecitina de soja podemos segmentar o mercado
bem como a sua aplicação e função na Tabela 10.
Tabela 10 - Usos e Funções de Fosfolipídios.
Fonte: ERICKSON (1995).
2.5.5 Neutralização
Destaca-se que a neutralização é obtida pelo tratamento do óleo de soja com uma
solução aquosa alcalina (mais comumente, hidróxido de sódio) para neutralizar os
ácidos graxos livres de um lote ou de um sistema contínuo (HAMMOND et al, 2005).
O processo de neutralização visa basicamente a diminuir os ácidos graxos livres,
que provocam mau cheiro e desprendimento de gases quando aquecidos. A acidez é um
fator que varia com a qualidade da matéria prima, com o tempo de estocagem, com a
presença de gomas, que ao fermentarem pela ação de enzimas, acidificam ainda mais o
produto. Corantes, indesejáveis e esteróis podem ser removidos.
Produto Função
Alimento
Alimento Instanâneo Agente umedecedor e dispersante, emulsificante
Panificação Modificação das propriedades de panificação,emulsificante; antixiodante
Chocolate Redução da viscosidade; antioxidante
Margarina Emulsificante, agente antirrespingos; antioxdante
Dietéticos Suplemento Nutritivo
Nutrientes
Substituto de leite Emulsificante; agente umedecedor e dispersante
Indústria
Inseticidas Emulsificante; agente dispersante, substância ativa
Tintas Agente dispersante, estabilizador
Fitas Magnéticas Agente dispersante, emulsificador
Couro Agente amaciante, óleo penetrante
Têxtil Amaciante; Lubrificante
Cosméticos
Cabelos Estabilizador de espuma, emoliente
Pele Emulsificante; emoliente, umectante, umedecedor
Farmacêuticos
Nutrição parental Emulsificante
Supositórios Agente atenuador, veículo
Cremes, loções Emulsificante, facilitador de penetração
Usos e Funções dos Fosfolípideos
Para Moretto & Fett (1986), a neutralização ocorre na interface do óleo e solução
alcalina. Sendo estas fases não intersolúveis, a neutralização exige uma dispersão de
solução alcalina em óleo.
A solução aquosa de NaOH em óleo forma o sistema óleo-água-sabões ou seja,
emulsificantes que ocasionam a perda de óleo. Portanto, esta etapa merece atenção
porque pode haver a saponificação indesejável de triglicerídeos, conseqüente perda do
óleo neutro produzindo mono-glicerídeos e di-glicerídeos (OLIVEIRA, 2001).
A mistura de gomas hidratadas e insolúveis em óleo forma uma pasta
denominada de “sopstock” (sabões) que pode absorver alguns pigmentos arrastando-os
durante a separação do óleo.
O processo de neutralização pode ser do tipo:
1) Descontínuo (Bateladas): Processo ultrapassado, devido à lentidão, alto
índices de perdas favorecidas pela arraste do óleo nos sabões e por ser um processo
pouco automatizado.
2) Contínuo: O processo de neutralização contínua pode ser do tipo:
a) Químico: soda cáustica, soda cáustica-soda barrilha, neutralização por
processo Zenith; refinação física; neutralização em miscela.
b) Físico: Refinação por destilação em corrente de vapor à pressão
reduzida.
O processo básico consiste em um aquecimento do óleo até cerca de 90°C, pré-
tratamento com ácido fosfórico (85% de concentração) para possibilitar a eliminação de
fosfatídeos remanescentes, a neutralização com soda cáustica diluída (16 a 20 °Bé) e
separação dos sabões (Dorsa, 2004).
O óleo neutralizado é submetido a duas lavagens com 10-20% de água aquecida
à temperatura de 80 – 90°C e novamente à centrifugação, para remover o sabão residual
(Moretto & Fett, 1986).
Segundo Amaral et al (2006), no processo de neutralização com o método
Zenith depois de aquecer o óleo a 95°C, o óleo bruto sobe em forma de gotículas através
de uma coluna de solução alcalina diluída, pré-aquecida também a 95°C. O sistema
consiste em três unidades, das quais a primeira trata o óleo aquecido com ácido
fosfórico, a segunda age como neutralizador, onde o óleo é transformado em gotículas e
entra em contato com a solução de hidróxido de sódio por meio de um dispositivo de
alertas, a terceira elimina os traços dos sabões no óleo neutralizado, pela adição de ácido
cítrico.
Como subproduto deste processo tem-se a borra de neutralização, separada do
óleo neutro em uma centrífuga, conforme citado acima. Para Eickhoff (2000), a borra de
neutralização é uma mistura de sais de sódio, ácidos graxos, óleo neutro, água, gomas,
álcali livre e outros componentes resultantes da reação entre álcali e várias impurezas no
óleo que pode ser separada em ácidos graxos e água ácida, através da adição de ácido
sulfúrico em uma instalação à parte.
2.5.6 Branqueamento
Observa-se que o branqueamento destina-se a remoção de compostos coloridos
visando obter-se uma cor aceitável dos óleos vegetais. O processo de degomagem já
remove certa quantidade de corantes presentes no óleo. A neutralização com álcalis
também exibi um efeito branqueador devido à coagulação e ação química (FRÉ, 2009).
Para Mag (2000), o branqueamento é hoje reconhecido como um dos passos
mais importante da refinação, compreendendo muito mais que a remoção de pigmentos
dos óleos, conforme a Tabela 11.
Tabela 11 - Compostos absorvidos no branqueamento.
Fonte: Adaptado - MAG K. (2000).
Ainda Mag (2000) o branqueamento é efetuado mediante um processo de
adsorção. Os materiais polares nos quais estão dissolvidos ou suspendidos no óleo em
concentrações relativamente baixas são adsorvidos na superfície de um material
adsorvente.
Compostos absorvidos no branqueamento
Pigmentos
Carotenóides
Clorofiloídes
Outros
Produtos de oxidação primária (decomposição)
Produtos de oxidação secundária
Ferro, níquel
Sabões
Compostos fosfatídicos
Poliaromáticos
A quantidade de terra que é utilizada neste processo depende da qualidade do
óleo neutro, e das expectativas do mercado em relação a cor do refinado. Quando se
processa o óleo de girassol, quantidades de terra de 0,15 a 0,3% são normais. No caso
do óleo de soja a quantidade é normalmente 0,5% (Eichkoff, 2000).
2.5.7 Desodorização
A desodorização é um processo para eliminar substâncias que provocam odores
ou sabores indesejáveis ao óleo. Quando se tem estas substâncias contidas no óleo, tem-
se um produto final de baixa qualidade conhecido como “rançoso”.
Óleos e gorduras degomados, neutralizados, clarificados e hidrogenados são
considerados praticamente como não comestíveis sem a etapa de desodorização. A
desodorização é importante porque é uma etapa decisiva nas propriedades sensoriais do
óleo refinado (OLIVEIRA, 2001).
A finalidade da desodorização é a remoção das substâncias voláteis que formam
sabores e odores não desejados ao óleo. No caso do Refino Físico, os ácidos graxos
livres são eliminados em conjunto com as sustâncias odoríferas (CAMPRO, 2000).
A desodorização elimina as substâncias indesejáveis do óleo através da
destilação, em corrente de vapor, no qual as substâncias voláteis se separam do óleo não
volátil.
As etapas do processo de desodorização são constituídas pelas etapas:
desaeração, aquecimento, retenção e resfriamento (DORSA, 2004).
2.6 CONCLUSÃO SOBRE O CAPÍTULO 2
A revisão apresentada neste capítulo permite obter as seguintes conclusões:
a falta de trabalhos mais abrangente sobre alguns assuntos,
principalmente no que se refere ao processo de degomagem;
nas operações envolvidas, principalmente a degomagem, o consumo de
água é elevado e ocorre perda de óleo justificando estudos mais aprofundados para
minimizar o consumo de água e a perda de óleo.
o processo de degomagem é importante para manter a qualidade do óleo
estocado e proporcionar um processo de refino com menos perda de óleo no arraste
dos processos e melhor qualidade.
Nos próximos capítulos a operação de degomagem será mais bem detalhada com
finalidade de estabelecer os modelos que serão utilizados na modelagem e análise do
processo, bem como os métodos analíticos utilizados para obter a composição das
correntes do processo e a avaliação dos parâmetros que influenciam no melhor
desempenho na obtenção do óleo degomado.
3. MATÉRIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo, serão apresentadas as descrições dos equipamentos e as
metodologias utilizadas nos ensaios de degomagem de óleo de soja, realizados na
indústria, em escala laboratorial e o modelo proposto.
3.1 MATERIAIS
Nesta seção, serão descritos os equipamentos usados para a degomagem do óleo
bruto.
3.1.1 Equipamento industrial
Conforme já descrito anteriormente, para que ocorra a operação de degomagem
na indústria é adicionado ao óleo a ser degomado quantidades expressivas de água. A
água acrescentada possui a função de contribuir para a hidratação das gomas e a
formação de uma mistura que possa ser facilmente separada em duas partes: o óleo
degomado e as gomas. Esta separação é realizada por meio de centrífugas, como é
mostrado a seguir.
O equipamento industrial típico empregado na separação da mistura mencionada
é uma centrífuga de disco da marca Alfa Laval, conforme ilustrado na Figura 11.
Figura 11 - Centrífuga com tambor de disco.
Fonte: Adapatado- HARTEN (2000).
3.1.2 Aparato utilizado no laboratório
Com o objetivo de simular em laboratório a etapa de degomagem do óleo de soja
em condições de variação de temperatura, visto que a planta analisada não permite esta
variação, por receber o óleo direto da extração, ensaios foram realizados em grandes
quantidades para a coleta de dados. Para este propósito, adotou se uma centrífuga
modelo Mtd III Plus de tubos da marca Metroterm utilizada na centrifugação de
líquidos, na qual o princípio de funcionamento baseia-se em aplicar o líquido nos tubos
e controlar o tempo e rotação do equipamento. A centrífuga empregada está ilustrada na
Figura 12.
Alimentação
Descarga da fase pesada
Válvula de abertura para fundo deslizante
Descarga da fase leve
Água de fundo
Bomba centrípeta para fase pesada
Bomba centrípeta para fase leve
Distribuidor
Coluna de discos
Orifício de
injeção de
sólidos
Espaço de
retenção de
sólidos
Méio refrigerante
Água
Câmara final
Fundo
deslizante
Válvula de controle e ar
Pistão dosador
Água
final
Figura 12- Centrífuga Mtd III Plus.
Para obter o comportamento de viscosidade do óleo bruto hidratado e da lecitina
em função da temperatura foi usado o viscosímetro DV- II + Viscometer Brookfield, um
instrumento empregado na indústria para medição das viscosidades de fluidos, e para
obter a densidade destes compostos foi utilizado o método Intercit Inc. Assim sendo, o
método de determinação de viscosidade e o método Intercit Inc. serão descritos no item
3.3.
O viscosímetro utilizado é mostrado Figura 13.
Figura 13 - Viscosímetro- DV- II + Viscometer Brookfield.
3.2 LEVANTAMENTO DE DADOS EXPERIMENTAIS NA INDÚSTRIA
Salienta-se que para a realização dos experimentos e análises, foi escolhida a
prática industrial comum de degomagem por hidratação, já em análise, foram utilizadas
as metodologias recomendadas pela Aocs (1998), que fornecem mais de 400 métodos
oficiais relacionados às tecnologias de óleos, gorduras e sabões, bem como algumas
práticas desenvolvidas pelas indústrias.
3.2.1 Coleta e Preparação das Amostras
A obtenção de dados operacionais referentes às correntes de alimentação e saída da
centrífuga foi concretizada na planta industrial e no laboratório de uma indústria
processadora de óleos vegetais localizada na região noroeste do Paraná. Os procedimentos
são compostos de medidas de vazão, água adicionada para hidratação, pressão e
temperatura, e por amostras que determinam a composição dessas correntes.
.
3.2.2 Influência da Vazão de Entrada e água adicionada para hidratação no
processo de degomagem
Para avaliar o comportamento de alguns parâmetros do processo industrial de
separação do óleo, o ensaio na planta industrial foi composto de conjuntos de amostras
formadas por óleo bruto, óleo degomado e lecitina, que foram coletadas num intervalo
de 1 hora. Destarte, cada conjunto de amostra foi preparado da seguinte forma:
1) Regulou-se a vazão de entrada de água para hidratar o óleo com
concentrações num intervalo de 7 a 4,5 % na corrente de alimentação da centrífuga.
Aguardou-se em torno 1 hora entre cada variação do percentual de hidratação até que o
processo estivesse em condição de regime permanente.
2) Ajustou-se a vazão de óleo bruto para operar com vazões de 11.800 a
14.500 Kg/h.
3) Retirou-se uma amostra de óleo bruto no tanque de alimentação do
processo de degomagem a cada experimento.
4) Recolheu-se uma amostra de lecitina e de óleo degomado. Assim, as
análises realizadas estão descritas no item 3.3 e os pontos de coleta estão indicados nas
Figuras 14 e 15, respectivamente.
Figura 14 – Ponto de coleta de lecitina
Figura 15 – Ponto de coleta de óleo degomado
Os resultados estão expostos na seção 4.
3.2.3 Influência da variação de temperatura
O ensaio foi executado por meio de uma amostra de aproximadamente 3 litros de
óleo bruto coletada, na alimentação da planta de refino, juntamente com 1 litro de água
aplicada nesta planta para hidratação.
A partir das amostras de óleo e água coletadas foram preparadas amostras com
hidratação de óleo de 4%, sendo que cada amostra passou por um agitador por 5
minutos e posteriormente foi aquecida sob agitação manual. As temperaturas
trabalhadas foram de 25 a 100°C para obter resultados próximos das temperaturas
citadas pela literatura.
Cada amostra foi submetida à centrifugação por 10 minutos, considerando que
foram separadas as fases de óleo degomado da lecitina para análise, segundo o esquema
da Figura 16. Com efeito, o objetivo foi coletar as amostras para elaborar as análises do
item 3.3.
Figura 16 – Esquema de degomagem no laboratório
Os resultados estão expostos na seção 4.
3.2.4 Influência da avaliação de Densidade e Viscosidade
Para melhor avaliar o comportamento dos componentes envolvidos no processo
em função da temperatura, foi preparada uma amostra de óleo bruto hidratada a 4% e
aquecida às temperaturas de 25 a 70°C. Nesta amostra, foi verificado o comportamento
rotação 10
minutos
óleo bruto + 4% de água óleo degomado fósforo
fósforo impureza
umidade umidade
impureza sabões
sabões
lecitina
arraste de óleo
umidade
da viscosidade utilizando o equipamento viscosímetro já apresentado no item 3.1 e o
comportamento da densidade do óleo bruto hidratado, empregando o método Intercit
em função da temperatura. O mesmo procedimento descrito anteriormente foi efetuado
para a amostra de lecitina coletada na planta, variando as temperaturas de 25 a 70°C.
Dessa forma, os resultados desta avaliação estão expostos na seção 4.
3.2.5 Influência da variação de Pressão no equipamento
Kreisner (1981) assevera que as centrífugas de disco permitem controlar o
arraste de uma fase para outra por meio de controladores de pressões, colocados na
saída das máquinas. Nesse sentido, vê-se que o ensaio foi elaborado com 5 pontos em
uma centrífuga com capacidade de 5000 Kg/h pelo seguinte procedimento:
1) A pressão de contra corrente de alimentação de óleo bruto hidratado da
centrífuga foi variada por meio dos controladores de pressão na faixa de 0,9 a 1,9 bar, e
aguardou-se o tempo de 30 minutos para a obtenção de condições de regime
permanente.
2) As análises das composições das correntes foram consumadas junto das
amostras de variação da pressão, com o objetivo de compor os balanços materiais para
cada experimento.
3.3 ANÁLISES REALIZADAS
Com o intuito de avaliar a quantidade de componentes existentes nas correntes
de entrada e de saídas de produto, nos ensaios de degomagem na planta industrial e no
laboratório, foram elaboradas as análises de umidade, fósforo, sabões, impurezas e
análise de óleo arrastado. Além disso, foram realizadas as análises de densidade e
viscosidade.
3.3.1 Umidade
Também, utilizou-se uma parte do conjunto de amostra (óleo bruto+ lecitina+
óleo degomado) para executar a análise de determinação de umidade e voláteis em base
úmida )(Xbu , de acordo com a equação 3.1, medindo a massa das amostras antes e
depois da secagem pelo método clássico de secagem à massa constante.
MU
MSMUXbu
(3.1)
No qual, )(MU é a massa da amostra úmida e )(MS é a massa da amostra seca.
É válido ressaltar que este método é aplicável para todos os tipos de óleos
vegetais, sendo que os aparelhos utilizados são:
- Estufa com circulação de ar forçado;
- Placa de Petri em alumínio;
- Dessecador contendo agente dessecante eficiente.
Preparação da amostra:
Devido à água tender a decantar nas amostras, deve-se tomar cuidado de agitar
vigorosamente as amostras para distribuir a água uniformemente. Esta agitação poderá
ser manual ou feita com a utilização de um misturador.
Após a preparação da amostra segue:
Pesar cuidadosamente 5,0 g da amostra em uma placa de Petri tarada e que tenha
sido previamente seca e esfriada em dessecador. Colocar em uma estufa, esfriar à
temperatura ambiente em dessecador e por último, pesar.
3.3.2 Fósforo
Constatou-se que a análise de fósforo foi baseada no método oficial AOCS Ca
12-55 que determina o equivalente em fosfatídeos, contido na amostra calcinada na
presença de óxido de zinco, seguido da medida espectrofotométrica de fósforo com
complexo azul ácido fosfomolíbdico. O cálculo do percentual de fósforo em cada
amostra de óleo bruto e óleo degomado foram obtidos pela equação 3.2, pesando a
massa de fósforo contido na amostra )(Fs , a massa de fósforo contido no branco )(Fa ,
a massa da amostra )(M e o volume da alíquota )(Va .
000.10**
)(10%
VaM
FsFaFósforo
(3.2)
É possível observar que este método é aplicável para óleos vegetais: bruto
degomado e refinado. Os aparelhos empregados no procedimento são:
- Cadinho de porcelana de 50 ml, resistente à temperatura de 600°C;
- Chapa de aquecimento;
- Forno mufla;
- Funil de vidro com haste curta, (50 mm de diâmetro);
- Papel de filtro com 15 cm de diâmetro;
- Pisseta, frasco lavador com capacidade para 500 mL;
- Balões volumétricos de 50 mL e 100 mL;
- Pipetas graduadas de 2 mL, 5 mL e 10 mL;
- Espectrofotômetro;
Os reagentes utilizados são:
- Solução de ácido clorídrico (1/1) v/v;
- Óxido de zinco PA;
- Solução de hidróxido de potássio 50% m/v;
- Solução de molibato de sódio 2,5% m/v;
- Solução de sulfato de hidrazina 0,015% m/v;
O procedimento consiste nas seguintes etapas:
1) Pesar 1,5g da amostra em um cadinho de porcelana. Adicionar 0,5g de
Óxido de Zinco, homogeneizar e deixar calcinar em chapa de aquecimento, tomando o
devido cuidado para não perder a amostra devido à fervura;
2) Após prévia calcinação em chapa, transferir o cadinho para Mufla 600ºC
e deixar por 2 horas, ou até completa calcinação da amostra. Remover e esfriar à
temperatura ambiente;
3) Adicionar 10 mL de Solução de ácido clorídrico (1/1) a cinzas;
4) Cobrir o cadinho com vidro de relógio e aquecer a fervura suave por 5
minutos;
5) Filtrar a solução no sistema (papel filtro + funil + balão volumétrico de
100 mL). Lavar a parte interna do vidro de relógio e as paredes do cadinho com
aproximadamente 10 mL de água destilada quente. Purificar o cadinho e o papel filtro
com 4 porções de 10 mL de água destilada quente;
6) Esfriar a solução à temperatura ambiente e neutralizar até a turbidez com
a adição de hidróxido de potássio a 50%;
7) Adicionar ácido clorídrico (1/1) até que o óxido de zinco precipitado
tenha se dissolvido, então adicionar mais duas gotas, e completar o volume do balão
volumétrico para 100mL;
8) Pipetar 10 mL dessa solução (do balão volumétrico de 100 mL) e
transferir para um balão volumétrico de 50mL;
9) Adicionar 8 mL da solução de sulfato de hidrazina e 2 mL da solução de
molibdato de sódio;
10) Tampar e homogeneizar. Afrouxar a tampa e aquecer o balão por 10
minutos em um banho de água fervente;
11) Remover do banho e deixar esfriar a +/- 25ºC;
12) Completar o volume do balão volumétrico de 50 mL e homogeneizar.
Transferir a alíquota para a cubeta de 10 mm e realizar a leitura com a absorbância de
650nm;
13) Preparar um branco reagente sem adição de óleo, seguindo o
procedimento descrito de 1 a 12.
3.3.3 Impurezas
É importante salientar que para determinar impurezas nas amostras de óleo bruto
e de óleo degomado, seguiu-se o método oficial AOCS Ca 3a-46, que analisa
substâncias estranhas insolúveis em querosene, bem como em éter de petróleo.
O cálculo da impureza é feito pela equação 3.3, pesando a massa do preparado
seco )(Ms , a massa com o resíduo seco )(Mrs e a massa da amostra )(MA .
100*%Im
MA
MsMrspurezas
(3.3)
Este método é aplicável para todos os óleos e gorduras. Os aparelhos utilizados
são:
- Cadinhos de Gooch preparado;
- Kitasato com adaptador para cadinho de Gooch;
- Bomba de vácuo;
- Provetas de 25 e 50 mL;
- Estufa com circulação de ar a 130 °C;
- Dessecador com sílica gel.
Os reagentes utilizados são:
- Éter de petróleo PA;
- Querosene PA;
- Álcool etílico;
Nesse passo, os procedimentos consistem nas seguintes etapas:
1) Preparar o cadinho Gooch antes do uso (colocar no cadinho de Gooch o
filtro de fibra de vidro sem matéria orgânica, lavar com água, álcool e éter, secar em
estufa até atingir o peso constante, esfriar em dessecador à temperatura ambiente, pesar
e anotar a massa);
2) Usar o resíduo da determinação do teor de umidade e matéria volátil, ou
uma amostra preparada da mesma maneira;
3) Adicionar 50 mL de querosene ao resíduo e aquecer num banho de água
para solubilizar a gordura;
4) Filtrar no cadinho de Gooch preparado usando a bomba de vácuo. Lavar
com 5 porções de 10 mL de querosene quente, deixando cada porção secar antes de
adicionar a próxima;
5) Lavar com 30 mL de éter de petróleo para remover toda a querosene;
6) Secar o cadinho Gooch em estufa de circulação de ar até obter o peso
constante. Após retirar da estufa, esfriar em dessecador à temperatura ambiente e pesar.
3.3.4 Determinação de Sabões
Os sabões no óleo de soja bruto foram determinados pela equação 3.4, utilizando
o método oficial da AOCS Cc 17-95 por meio da titulação com a solução de ácido
clorídrico (0,005M) )(G e a massa da amostra )(MA .
MA
GppmSabões
522,1*)( (3.4)
Os aparelhos adotados na análise são:
- Erlenmeyer de 250 mL;
- Proveta de 50 mL;
- Titulador semiautomático ou bureta de 25 mL;
Os reagentes empregados são:
- Solução de ácido clorídrico 0,005 M;
- Solução de hidróxido de sódio 0,1 M;
- Solução acetônica com indicador azul de bromofenol.
O procedimento experimental consiste nas seguintes etapas:
1) Pesar amostra no erlenmeyer de 250 mL;
2) Adicionar 50 mL de solução acetônica;
3) Homogeneizar e deixar separar as camadas. Se houver sabão, a camada
superior apresentará uma coloração verde escuro ou azul;
4) Titular com solução de ácido clorídrico 0,005 M até que a coloração
verde escuro ou azul seja eliminada, permanecendo apenas a coloração amarela.
3.3.5 Análise de Arraste de Óleo
Nota-se que parte da amostra de lecitina foi aproveitada para determinar o
conteúdo total de óleo presente na amostra pelo método de extração com acetona e os
cálculos de óleo presentes na amostra foram produzidos pelas Equações 3.5 e 3.6.
100*)()(
(%)PA
PBVPBOABU
(3.5)
100*100/)%([
)()((%)
umidadePAPA
PBVPBOABS
(3.6)
Onde )(PBO representa o peso balão volumétrico com óleo, )(PBV o peso do
balão volumétrico vazio, )(PA o peso da amostra, )(ABU teor de óleo arrastado na base
úmida e )(ABS teor de óleo arrastado na base seca.
Os aparelhos utilizados são:
- Béquer de 150 mL;
- Bastão de vidro;
- Balão de soxhlet 250 mL, junta 24x40;
- Papel filtro;
- Funil analítico raiado pequeno;
- Bolinhas de vidro.
Os reagentes utilizados são:
- Acetona de boa procedência, refrigerada;
- Sulfato de Sódio Anidro.
O procedimento fundamenta-se nas seguintes etapas:
1) Pesar aproximadamente 2,5g da amostra vigorosamente homogeneizada;
2) Adicionar aproximadamente 10g de Sulfato de Sódio Anidro e
homogeneizar com o auxílio de um bastão de vidro;
3) Acrescentar aproximadamente 50 mL de Acetona refrigerada,
homogeneizar e esperar sedimentar os sólidos;
4) Filtrar o sobrenadante em papel filtro previamente umedecido com
Acetona. Recolher o filtrado no balão de Soxhlet de 250 mL, contendo bolinhas de
vidro, seco e tarado;
5) Efetuar extrações com porções de 20 mL de Acetona, até a micela estar
incolor;
6) Utilizar o sistema soxhlet para recuperar acetona (balão de 250 mL). Após
evaporar, secar o balão na estufa a 130ºC +/- 3ºC por 1 hora. Retirar da estufa e
finalmente, resfriar em dessecador.
3.3.6 Análise de Determinação da Viscosidade do Óleo Bruto e Lecitina de Soja
Nota-se que este procedimento determina a resistência ao escoamento do
produto expressando o resultado em centiPoise.
Os aparelhos empregados são:
- Viscosímetro Brookfield RVDV - II+;
- Béquer de 1000 mL;
- Termômetro.
O procedimento é alicerçado nas seguintes etapas:
1) Medir aproximadamente 1Kg de amostra.
2) Ligar o aparelho e esperar estabilizar. Pressionando qualquer tecla,
aparecerá no visor a solicitação de auto zero. O aparelho poderá ser calibrado para o
zero, também ao pressionar uma das teclas;
3) Depois de estabilizado e calibrado para o zero, utilizar a haste nº2 para
realizar a medição da viscosidade;
4) Colocar a barra de proteção da haste, programar o aparelho para uma
rotação de 20rpm;
5) Efetuar a leitura em cP (centi Poise) diretamente no visor.
3.3.7 Análise de Determinação da Densidade do Óleo Bruto e Lecitina de Soja-
Método Intercit In. Adaptado
Este método analítico é alternativo à análise com picnômetro. A densidade de
um composto ou solução é definida pela relação entre sua massa e volume. Assim,
pode-se determinar a densidade de um composto ou solução pesando-se um volume
conhecido, em balança analítica, fazendo uso de uma pipeta volumétrica para este fim.
Deve-se salientar que o procedimento correto para esta análise é utilizar um picnômetro,
porém, quando não se exige grande precisão, pode-se aplicar a pipeta volumétrica para
medição do volume a ser pesado.
Os aparelhos envolvidos são:
- Banho de água a 20o C +/- 0,2ºC.
- Becker de 100 ml.
- Pipeta volumétrica de 50 ml.
- Balança analítica com sensibilidade de 0,1mg.
O procedimento consiste nas seguintes etapas:
1) Colocar o becker seco e limpo na balança analítica e tarar;
2) Pipetar 50ml da amostra a 20ºC +/- 0,2ºC com auxílio da pipeta
volumétrica, deixando escoar na parede do becker em velocidade constante;
3) Anotar o peso.
volume
massaDensidade (3.7)
4. MODELAGEM MATEMÁTICA
É válido esclarecer que a modelagem desenvolvida neste trabalho baseia-se em
equações de conservação de massa e quantidade de movimento. Foust et al (2000)
propuseram um modelo baseado em balanços de forças que possibilita prever diversas
propriedades envolvidas no processo de centrifugação. Bird et al (2005) indicaram um
modelo respaldado no balanço de massa binário macroscópico, que permite estimar as
composições das correntes de saída envolvidas no processo.
4.1 BALANÇO DE FORÇAS NA CENTRIFUGAÇÃO DO ÓLEO BRUTO DE
SOJA
De acordo com Foust et al (2000), no escoamento de um fluido em regime
permanente, sobre um corpo sólido, formam-se camadas limites e o fluido exerce uma
força sobre o sólido. Esta força é uma combinação de arraste pela camada limite e o
arraste devido à forma, que pode ser expresso em termo de um coeficiente de arraste AC
Pela equação 4.1, o coeficiente de arraste é:
SV
FC
cl
AA
2
2 (4.1)
Onde AF é a força que atua sobre o sólido, clV é a velocidade da corrente livre
em relação à partícula, e S é a área de seção reta na direção normal ao escoamento.
Uma partícula em movimento linear através de um fluido age sob a ação de uma
força externa. Esta força pode ser à força de gravidade, ou a força de um campo de
forças centrífugas. A teoria básica do movimento dos sólidos através dos fluidos está
centrada no conceito do movimento dos corpos livres na equação 4.2:
dt
dvmFgc (4.2)
Onde cFg é a força resultante que atua sobre qualquer corpo, dtdv é a
aceleração do corpo, e é a massa do corpo. Assim, o balanço de força é dado por:
dt
dvmgFFF cBAE )(
(4.3)
Nesta equação, as forças que atuam sobre o corpo em queda são a força externa
)( EF , a força do empuxo )( BF e a força de arraste )( AF devido ao atrito do fluido na
direção da velocidade relativa entre o fluido e a partícula.
A força externa )( EF pode ser expressa pela lei de Newton sob a forma da
equação 4.4.
EcE magF
(4.4)
Onde Ea é a aceleração da partícula resultante da força externa. A força de
arraste é obtida pela equação 4.5.
2
2SVC
gF clAcA
(4.5)
Onde é a densidade do fluido e clV é a velocidade relativa entre a partícula e o
fluido. O princípio de Arquimedes fornece o empuxo. A massa do fluido deslocado é
sm , onde s e são as densidades do sólido e do fluido, respectivamente. Portanto,
a equação 4.4 torna-se a equação 4.6.
E
s
cB am
gF
)( (4.6)
Combinando as Equações 4.1 a 4.6 obtém-se:
m
SVCaa
dt
dv clA
s
EE
2
2
(4.7)
Se a força externa for à gravidade, Ea é igual à aceleração da gravidade g a
equação 4.7 fica assim:
m
SVCg
dt
dv clA
s 2)1(
2
(4.8)
Se a força externa é proveniente de um campo centrífugo, 2raE , onde r é o
raio no ponto da trajetória e é a velocidade angular, em radianos por segundo. A
equação 4.8:
m
SVCr
dt
dv clA
s 2)1(
2
2
(4.8)
A equação 4.9 representa o balanço de forças fundamental em torno de uma
partícula que cai em um campo centrífugo.
Na maioria das vezes, as partículas movem-se com velocidades bastante
pequenas para que o escoamento seja laminar e entãoRe24 NCA . Fazendo esta
substituição na equação 4.9 e considerando a equação para partículas esféricas,
encontra-se a equação 4.10.
6
4
4
6
2
3
ps
p
sp
sD
D
D
S
V
S
m
(4.10)
pss
s
Dr
dt
dv2
2 18)(
(4.11)
Então, considerando-se a velocidade em qualquer posição, ; todavia,
em qualquer instante do movimento de uma única partícula, é positiva.
Portanto, considerando uma posição fixa, e equação 4.11 reduzem à
equação 4.12:
18
)( 2
2
2p
R
DrV
(4.12)
Onde: = velocidade terminal de partículas esféricas de diâmetro no ponto
de raio num campo centrífugo cuja velocidade angular de rotação é .
A distância radial percorrida pela partícula pode ser obtida multiplicando-se a
equação 4.12 pelo elemento infinitesimal de tempo :
dtDr
drdtVp
R
18
)( 2
2
2
(4.13)
A Equação 4.13 integrada fica:
Q
VDD
r
r psps *18
)(
18
)(ln
2222
1
2
(4.14)
Onde:
V =volume do material presente na centrífuga
Q =taxa volumétrica de alimentação da centrífuga
QV =tempo de residência de uma partícula no centrifugador
O diâmetro que aparece na equação 4.14 é o de uma partícula que cai entre e
durante o tempo de residência que lhe é próprio.
Q
VDrxtV
ps
R *18
)(22
(4.15)
Onde x é a distância radial percorrida por uma partícula de diâmetro pD durante
o tempo de residência disponível.
Se x for igualado à meia-espessura da camada líquida, 2)( 12 rr , a metade das
partículas com certo diâmetro pD conseguirá sedimentar-se nas paredes, enquanto a
outra metade fica em suspensão até o fluido deixar a centrifugadora. Este diâmetro pD
é o “diâmetro crítico”. As partículas com diâmetros maiores que pD sedimentarão
preferencialmente da fase líquida, e as partículas com diâmetros menores que pD
permanecerão preferencialmente na suspensão. Resolvendo a equação 4.15 para pD e
substituindo x por 2)( 12 rr , o diâmetro crítico das partículas será dado pela equação
4.16:
r
rr
V
QD
s
p12
2.
)(
9
(4.16)
Onde 12 rr é a espessura da camada líquida e pD o diâmetro crítico das
partículas.
Resolvendo a equação 4.16 em Q , inserindo-se ao mesmo tempo a aceleração da
gravidade temos a equação 4.17.
*2
)(*
9
)(
12
22
t
psv
rrg
rVgDQ
(4.17)
Onde tv é a velocidade de sedimentação é apresentado na Equação 4.18 e é o
poder de separação representado na Equação 4.19.
18
)(2
ps
t
gDv
(4.18)
)( 12
2
rrg
rV
(4.19)
A velocidade de sedimentação está relacionada com as características do produto
a ser centrifugado e o poder de separação está relacionado com a engenharia do
equipamento.
No caso do centrifugador a discos, a fórmula do poder de separação está
representada na equação abaixo:
tan3
)(2 23
1
3
2
g
rrn
(4.20)
Onde: n =número de espaços entre os discos da pilha, 1r e 2r = raio externo e
interno da pilha de discos e = ângulo de abertura do cone.
De acordo com Lammarino et al (2007), o tamanho mínimo da partícula que
uma centrífuga pode remover é uma função das propriedades do líquido, taxa de
alimentação de centrifugação, geometria da bacia e velocidade de rotação. A velocidade
de rotação e a geometria são consideradas pelo fator Sigma para centrífuga. Este
fator indica a área de um tanque de sedimentação gravitacional necessário para atingir a
mesma quantidade de clarificação como a centrífuga.
Foust et al (2000) assevera que o poder de separação de uma centrífuga
representa a área equivalente de um tanque estático de decantação. O é uma
característica da própria centrífuga e não do sistema que está sendo separado. A escala
de fatores está na Tabela 12.
Tabela 12 – Escala de fatores para diferentes centrífugas.
Fonte: Adaptado- PERRY’S e CHILTON, 1984.
Os parâmetros relativos ao produto seguem a Lei de Stokes para determinação
do rendimento da capacidade da centrífuga. Já os parâmetros relacionados com a
máquina são chamados de área equivalente de clarificação, utilizada para comparação
das centrífugas de discos expressando o tamanho de um tanque de sedimentação
(HARTEN, 2000).
A Figura 17 ilustra um fluxo de separação entre dois discos individuais,
considerando que uma partícula sólida de um componente pesado do líquido tenha sido
separada quando a partícula alcança a superfície inferior do disco superior.
Figura 17- Padrão de um espaço de separação individual entre dois discos.
Fonte (HARTEN, 2000)
Para Couson e Richardson (1968) a introdução de discos cônicos na bacia da
centrífuga permite que o fluxo do líquido possa ser dividido em um grande número de
camadas muito finas e desta forma, permite uma bacia de maior diâmetro.
Tipos de CentrifugasDiâmetro de
dentro (in)
Diâmetro do
Disco (in)N° de Disco
Velocidade
r/min
Valor do Σ em
104 ft²
Tubular 1,75 - - 23000 0,32
Tubular 4,125 - - 15000 2,7
Tubular 4,9 - - 15000 4,2
Disco - 4,1 33 10000 1,1
Disco - 9,5 107 6500 21,5
Disco - 12,4 98 6250 42,5
Disco - 13,7 132 4650 39,3
Disco - 19,5 144 4250 105
Transportador Helicoidal 6 - - 6000 0,27
Transportador Helicoidal 14 - - 4000 1,34
Transportador Helicoidal 20 - - 3350 40
Transportador Helicoidal 25 - - 3000 6,1
Líquido ingressante sem tratamento
Líquido Clarificado
Sedimento
Segundo Dorsa (2004), a velocidade de decantação de sólidos na separação
centrífuga aumenta com o acréscimo na diferença de densidade entre partículas sólida e
óleo, há o aumento do diâmetro da partícula sólida, com a diminuição da viscosidade do
óleo e a aceleração efetiva da centrífuga.
Somente a aceleração efetiva é influenciada pela construção do equipamento, logo a
separação no seio do líquido dependerá da rotação escolhida, ou seja, de um fator de
separação que será dado pela relação entre a aceleração centrífuga e gravitacional,
fornecido pela equação abaixo.
g
r 2*
(4.21)
Perry’s e Chilton (1984) mencionam que uma centrífuga de disco com diâmetro de
13 a 24 polegadas tem um fator de separação de 5.500 a 10.400.
4.2 BALANÇO DE MASSA NA CENTRIFUGAÇÃO DO ÓLEO BRUTO DE
SOJA
No que tange à principal etapa do processo de degomagem, esta se trata da
separação das gomas presente no óleo de soja através de centrifugação. Assim, a
modelagem desenvolvida foi realizada apenas no equipamento centrífuga, considerando
que o processo operando em regime estacionário.
O modelo matemático desenvolvido para representar a centrifugação foi obtido
observando o balanço de massa e equações constitutivas referentes à centrífuga. O volume
de controle do sistema em estudo é apresentado na Figura 18.
Figura 18 – Processo de Separação Binário
Alimentação F,z
Resíduo W, x
Produto P,y
O balanço de massa global na centrifuga para etapa de degomagem do óleo de soja
é dada pela Equação:
Balanço de massa global
PWF (4.22)
Balanço de massa no componente óleo de soja:
yxz PWF (4.23)
Considerando uma mistura binária de óleo e goma que entra na centrifuga em uma
corrente de alimentação a uma taxa mássica F , e pelo mecanismo de separação, a
centrífuga é dividida em um fluxo de produtos mássico P e um fluxo mássico de resíduo
(goma) W . A fração mássica do óleo de soja (o componente desejado) no fluxo de
alimentação é z , e as frações mássicas de óleo no produto e no resíduo são y e x ,
respectivamente.
Assim, define-se uma razão de corte FP das taxas do fluxo do
produto, onde se tem (óleo degomado) e de alimentação (óleo bruto). Substituindo a razão
de corte na equação 4.22 e eliminando W na equação 4.23, tem-se:
xyz )1( (4.24)
Agora, escrevendo a relação entre a alimentação e composição de resíduos, a
Equação que relaciona as composições das duas correntes de saída, é:
XY (4.25)
Onde é o fator de separação, Y e X são razões mássicas, definidas pelas
Equações:
Em termos de frações mássicas, pode-se escrever a equação 4.27 como:
x
xy
)1(1
(4.28)
ou
y
yx
)1(
(4.29)
As Equações (4.24) e (4.28) ou (4.29) descreve a operação de separação do óleo de
soja com a lecitina. Para esta situação define-se um separador ideal em termos de uma
operação na qual o produto e fluxos de resíduos são sistemas ideais. Mas, mesmo para
situações de sistemas não ideais, as mudanças relativamente lentas da composição para
separadores reais pode-se definir um termo de correção empírico como um fator de
correção, sendo:
* E (4.30)
Onde,* é o fator de separação para o modelo ideal, e E é um fator de correção
que representa um sistema atual para atender o comportamento ideal.
O modelo proposto para um balanço de massa macroscópico pode ser utilizado para
diferentes processos de separação, por exemplo, difusões térmicas, centrifugações, entre
outros. A Equação 4.31 define o fator de separação.
)1(1
yx
xy
(4.31)
Assim, a equação do balanço material para uma dada alimentação de óleo bruto
produzido pelo separador é uma função do fator de corte e do fator de separação .
Assim combinando as Equações (4.24) e (4.28) e tem-se:
y
yyz
)1()1(
(4.32)
A Equação 4.32 define o modelo matemático para a separação centrifuga.
5. RESULTADOS E DISCUSÃO
Neste capítulo são apresentados os resultados das análises das correntes do
processo de degomagem de óleo vegetal de soja, gerados a partir da metodologia
descrita no Capítulo 3.
5.1 COMPOSIÇÃO DAS CORRENTES
5.1.1 Condições da Corrente de Entrada – Óleo Bruto
Amostras coletadas na corrente de entrada de óleo bruto estão listadas na Tabela
14, a qual fornece dados sobre principais componentes do óleo de soja bruto em
percentuais: fósforo (fosfatídeos hidratáveis e não hidratáveis) 0,079 a 0,101, sabões
(sais de ácidos graxos) 0,152 a 0,205, impurezas 0,011 a 0,258, água utilizada na
hidratação 4,826 a 7,129, considerando que o óleo bruto a ser degomado apresentou
uma concentração de óleo de 92,552 a 94,845%.
Tabela 13 - Característica do óleo bruto na corrente de entrada.
13791 6,176 0,194 0,079 0,015 93,536
12500 5,623 0,189 0,083 0,028 94,078
13780 6,191 0,205 0,103 0,089 93,411
12750 5,736 0,160 0,082 0,080 93,943
12779 6,610 0,202 0,088 0,077 93,022
13764 6,158 0,175 0,100 0,015 93,552
13341 6,416 0,191 0,110 0,014 93,269
11810 7,129 0,228 0,074 0,018 92,552
13425 4,852 0,178 0,101 0,054 94,815
12632 5,775 0,152 0,098 0,258 93,717
12704 6,603 0,193 0,088 0,211 92,906
13351 6,364 0,152 0,093 0,011 93,379
14672 4,826 0,158 0,101 0,110 94,008
14618 5,591 0,190 0,094 0,093 93,126
14703 6,496 0,190 0,079 0,018 94,642
14176 5,094 0,168 0,092 0,032 93,801
14200 5,880 0,195 0,086 0,050 95,168
% oleo Vazão de
Entrada kg/h
% água de
água de
hidratação
% sabões % fosforo % impurezas
5.1.2 Condições da Corrente de Óleo Degomado
Os dados da corrente de saída do óleo degomado estão expostos na Tabela 14,
mostrando uma redução nos compostos indesejáveis do óleo bruto: fósforo a uma média
de 0,023%, sabões a 0,010%, umidade a 0,519% e impurezas a 0,026%. A concentração
do óleo degomado foi em média 99,432%.
Tabela 14 - Características da saída de óleo degomado da centrífuga.
5.1.3 Condições da Corrente de Goma (Lecitina)
De acordo com Santos e Zanetti (1981) a lecitina bruta apresenta um teor de óleo
de 17% e 50% de água. Nos experimentos foi obtida uma média de 55% para umidade,
valor próximo do exposto pelos autores anteriores, no entanto, o arraste de óleo na
lecitina está bem elevado com uma média de 41,7%, logo se conclui que o processo
possui oportunidades de melhoria. Os resultados estão na Tabela 15.
12.413 0,487 0,007 0,027 0,022 99,457
11.245 0,500 0,011 0,025 0,028 99,435
12.310 0,528 0,011 0,024 0,022 99,414
11.517 0,510 0,010 0,030 0,020 99,430
11.380 0,505 0,009 0,025 0,024 99,437
12.400 0,420 0,009 0,021 0,017 99,534
12.029 0,516 0,009 0,023 0,021 99,430
10.375 0,503 0,011 0,027 0,018 99,441
12.481 0,468 0,010 0,020 0,019 99,484
11.310 0,530 0,012 0,020 0,032 99,406
11.361 0,488 0,014 0,020 0,097 99,381
11.940 0,527 0,008 0,021 0,024 99,420
13.379 0,538 0,011 0,022 0,000 99,429
13.234 0,577 0,012 0,018 0,021 99,371
13.107 0,478 0,009 0,021 0,002 99,490
12.967 0,510 0,010 0,020 0,040 99,420
12.854 0,527 0,010 0,021 0,030 99,411
13.363 0,512 0,014 0,021 0,024 99,429
Vazão de Saída
kg/h% umidade % sabões % fosforo % impurezas % oleo
Tabela 15 - Características da corrente de saída lecitina.
5.2 INFLUÊNCIA DA QUANTIDADE DE ÁGUA PARA HIDRATAÇÃO
Observa-se que a quantidade de óleo arrastada pelas gomas parece ter relação
muito estreita com a quantidade de água empregada, pois quando se adiciona água ao
óleo, os fosfatídeos, as proteínas e as impurezas do tipo coloidal se hidratam e
aumentam de peso formando coágulos separáveis por centrifugação, de acordo com
Santos e Zanetti (1981).
Para Anderson (1965) é bastante importante ter a proporção correta de água, pois
se agregar pouca quantidade de água ao óleo resultará em uma baixa hidratação,
portanto, a eliminação incompleta de fosfatídeos, e também é necessário lembrar que ao
se agregar muita água pode apresentar problemas de emulsificação e perda de óleo.
Para melhor mensuração do comportamento da quantidade de água utilizada na
hidratação, os experimentos com uma vazão próxima de 14500 kg/h, que é a vazão
nominal desta planta, foram correlacionados com o comportamento do arraste de óleo
na lecitina. Nos experimentos, o percentual de água de aplicada para hidratação foi
variado de 4,5 a 6,5% e, nesta vazão o histórico do valor de arraste de óleo com 3,5% de
água utilizada na hidratação é de 33%. Os resultados dos diferentes comportamentos da
1.378 57,700 40,196 553,907 4,294
1.255 51,473 46,064 577,951 4,915
1.470 53,610 43,141 634,168 4,927
1.233 54,500 42,687 526,327 4,394
1.399 56,277 40,832 571,149 4,805
1.364 57,974 39,187 534,623 4,152
1.312 60,476 36,776 482,481 3,878
1.435 54,931 42,728 612,953 5,608
944 62,801 33,087 312,348 2,454
1.322 50,839 45,052 595,588 5,031
1.343 58,303 38,134 512,188 4,340
1.411 55,711 42,271 596,528 4,785
1.293 53,617 47,771 617,872 4,480
1.384 55,857 42,726 591,351 4,344
1.596 54,235 40,881 652,650 4,690
1.209 57,020 43,406 524,856 3,947
1.346 50,822 40,209 541,090 4,004
% Perda de Óleo Vazão kg/h % umidade% Óleo
arrastado
Oleo arrastado
Kg/h
água de dosagem correlacionados ao arraste de óleo na lecitina são mostrados na Figura
19.
Figura 19 – Comportamento do Arraste de Óleo na lecitina em função da quantidade de
água dosada na hidratação.
Não foi possível testar a dosagem de água com valores menores que 3,5 % no
processo devido ao fato do controlador de dosagem de água da planta não realizar
dosagens com valores inferiores. No entanto, Dorsa (2004) entende que a quantidade de
água adicionada neste processo deve ser igual ao conteúdo de fosfatídeos e os mesmos são
determinados a partir de uma relação entre o conteúdo de fósforo conforme a equação 5.1:
FósforosFosfatídeo %*30% (5.1)
Bloch (1983) disciplina que o método oficial da Ca 12-55 da AOCS prescreveu um
fator de conversão do teor de fósforo elementar a fostatídeos igual a 30.
De acordo com o teor de fósforo do óleo analisado na corrente de entrada, é
possível calcular a partir da equação 5.1 que teoricamente as dosagens de água devem ser
de 2,5%. Logo, é possível obter uma redução no consumo de água, se realizar uma
melhoria no controlador de dosagens para operar com quantidades menores, sem perder a
qualidade do produto final e influenciar no arraste de óleo.
5.3 ANÁLISE DA VAZÃO EM RELAÇÃO À QUALIDADE DO PRODUTO
FINAL
Durante o experimento o processo sofreu diversas alterações nas vazões e dosagens
de água, mantendo-se a temperatura e pressão constante, no entanto, foi possível verificar
R² = 0,947
0
10
20
30
40
50
60
2 3 4 5 6 7
% d
e ó
leo
arr
asta
do
na
leci
tin
a
% de dosagem de água
que a qualidade do produto final permaneceu em termos industriais de modo constante.
Logo se concluiu que o processo de purificação está em regime permanente e o
equipamento em termos de qualidade do produto final opera com vazão média de 14500
Kg/h, obtendo uma purificação tão eficiente comparada quando há vazões menores.
Na Figura 20, está exposto o comportamento da qualidade do óleo degomado e do
óleo bruto da alimentação.
Figura 20 - Comportamento da qualidade do óleo bruto e degomado dos experimentos.
5.4 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NO PROCESSO DE SEPARAÇÃO
No experimento realizado, devido à capacidade de centrifugação pequena do
laboratório, não foi possível realizar análise de arraste de óleo na lecitina, pois a
quantidade produzida foi insuficiente para a análise de óleo arrastado, no entanto, foi
possível analisar os componentes do óleo degomado, em especial o fósforo, sendo este um
dos componentes que determinam a qualidade final do óleo na comercialização. Na Figura
21 está expressa a influência da temperatura em função da separação do fósforo, deixando
evidente a influência da temperatura no arraste de componentes deste componente do óleo.
0,92
0,93
0,94
0,95
0,96
0,97
0,98
0,99
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
% d
e ó
leo
da
corr
en
te
Experimentos
% Corrente de saída
% Corrente de Entrada
Figura 21 – Comportamento da Separação do Fósforo em relação à Temperatura.
Bockisch (1998) explica que os fatores relativos ao produto podem por vezes
também ser alterados, melhorando assim a separação centrífuga. Se, por exemplo, os
sólidos têm que ser removidos do óleo, a diferença de densidade pode ser ampliada por
meio de um tratamento com água. Se os sólidos são capazes de absorver a água, a
diferença de densidade é geralmente maximizada. A viscosidade e densidade do óleo
podem então ser reduzidas aquecendo-o; porque ao baixar a viscosidade, aumenta-se a
eficiência do transporte do líquido.
De acordo com a teoria de centrifugação, a velocidade de sedimentação na
centrifugação é alterada conforme a densidade e viscosidade dos componentes envolvidos
no processo.
Para Gupta e Muralidhara (2002), altas temperaturas devem ser escolhidas para
baixar a viscosidade da mistura. Logo, foram realizadas avaliações destes parâmetros em
relação à variação da temperatura com o objetivo de avaliar o comportamento da
velocidade de sedimentação. Nesse sentido, os resultados dos comportamentos da
viscosidade e densidade em relação à temperatura realizadas no laboratório do óleo bruto
hidratado e da lecitina estão expostos nas Figuras 22 a 26.
R² = 0,9539
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100 120
pp
m d
e F
ósf
oro
Temperatura em °C
Figura 22 – Dependência da Viscosidade do Óleo Hidratado com a Temperatura.
Figura 23 – Dependência da massa específica do Óleo Hidratado com a Temperatura.
O resultado da viscosidade do óleo obtido por Noureddinin (1992) foi
compatível com o resultado expresso na Figura 22, que pode ser expresso por:
CT
BA
ln (5.2)
Na qual é a viscosidade expressa em centipoises, A, B e C são constantes e T
é a temperatura do óleo.
y = 62,873e-0,013x
R² = 0,9882
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100
Tem
pe
ratu
ra (°
C)
Viscosidade 20 RPM (cP)
y = -0,0005x + 0,9295R² = 0,9952
0,89
0,895
0,9
0,905
0,91
0,915
0,92
0,925
0 10 20 30 40 50 60 70 80
De
nsi
dad
e (
Kg/
L)
Temperatura (°C)
Figura 24 – Dependência da Viscosidade da Lecitina com a Temperatura.
Figura 25 – Dependência da Densidade da Lecitina com a Temperatura.
Através destes comportamentos dos componentes, em relação à temperatura e do
Balanço de Forças descrito na seção 4, foi calculado o comportamento da velocidade de
sedimentação em relação à variação da temperatura utilizando a Equação 4.18. Os
resultados estão expostos na Figura 26.
y = -1E-10x3 + 7E-06x2 - 0,1563x + 1179,1R² = 0,9834
0
10
20
30
40
50
60
70
80
10000 15000 20000 25000 30000
Tem
pe
ratu
ra (°
C)
Viscosidade 20 RPM(cP)
y = -0,0006x + 1,0568R² = 0,998
1,015
1,02
1,025
1,03
1,035
1,04
1,045
0 10 20 30 40 50 60 70 80
De
nsi
dad
e (
Kg/
L)
Temperatura (ºc)
Figura 26 – Comportamento da velocidade de sedimentação e a temperatura
A partir desta avaliação do comportamento da velocidade de sedimentação fica
evidente a importância da temperatura no processo de degomagem, pois pela teoria de
centrifugação o aumento da velocidade de sedimentação é diretamente proporcional ao
aumento da vazão de produção do equipamento.
Na planta em análise, a utilização do óleo quente vindo da extração de óleo para
realizar a degomagem é uma estratégia bastante importante, visto que minimiza o
consumo de energia para aquecê-lo, conforme comumente é realizado em plantas que
não possuem esta opção de integração energética.
5.5 RESULTADOS DA VARIAÇÃO DE PRESSÃO
Nesta análise, foram mantidas constantes a vazão de alimentação de óleo bruto, a
composição do mesmo e a quantidade de água de hidratação, variando-se apenas a pressão
contra corrente do óleo entre 0,9 a 2 bar. Os resultados estão expostos na Figura 28.
Foi verificada uma forte correlação o entre aumento da pressão e o arraste do
óleo. Conforme Erickson (1987), a eficiência de separação pode ser alcançada durante a
operação por meio de ajustes da pressão da contra corrente do óleo.
y = 3E-11e0,0632x
R² = 0,9793
0,00E+00
2,00E-10
4,00E-10
6,00E-10
8,00E-10
1,00E-09
1,20E-09
1,40E-09
1,60E-09
1,80E-09
0 10 20 30 40 50 60 70
Ve
loci
dad
e d
e S
ed
ime
nta
ção
Kg/
m.s
Temperatura em °C
Figura 27 - Variação da contra pressão em relação ao óleo arrastado.
A equação 4.35 que relaciona o fator de separação com a variação de pressão
não pode ser validada, pois o equipamento permitiu ajustar apenas a pressão de contra
corrente e não realizar a medição da variação da pressão interna, que está envolvida no
cálculo da equação sugerida. Logo, foi apenas evidenciado, conforme já previsto na
literatura, que a pressão de contra corrente afeta o controle do arraste, porém sem um
modelo matemático convalidado com dados experimentais.
.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0,000 0,500 1,000 1,500 2,000
Óle
o a
rras
tad
o K
g/h
Pressão em bar
6. SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE DEGOMAGEM DO ÓLEO BRUTO
DE SOJA
A simulação da modelagem proposta possui a finalidade de obter as
concentrações das correntes de saída da centrífuga a partir de um conjunto de dados de
entrada para atingir a convalidação do modelo frente aos dados industriais e buscar
simular o comportamento da operação em relação às mudanças de parâmetros. O
simulador foi estruturado no Excell inicialmente, e assim, os resultados obtidos
alimentaram a ferramenta Response Surface do programa estatístico Minitab.
6.1 CONVALIDAÇÃO DO MODELO PROPOSTO
Para a convalidação do modelo foi utilizado o fator de separação calculada pela
equação 4.20, exposta na seção 4, através das medidas realizadas do raio dos discos e da
velocidade angular, obtendo assim um fator de separação de 9880. Os dados foram
simulados considerando uma temperatura constante. Os resultados dos dados simulados
frente aos dados experimentais estão expostos nas Figuras 29 e 30.
Figura 28 - Modelo simulado frente aos dados experimentais para a corrente de saída do
óleo degomado.
9.000
9.500
10.000
10.500
11.000
11.500
12.000
12.500
13.000
13.500
14.000
9000 10000 11000 12000 13000 14000
Va
zão
de
Óle
o D
eg
om
ad
o S
imu
lad
o (K
g/h
)
Vazão de Óleo Degomado Experimental (Kg/h)
+1%
-1%
Nesta comparação entre os dados simulados e os dados experimentais da Figura
30, o modelo obteve dados satisfatórios com erros inferiores a 5% para a corrente de
saída de do óleo.
Figura 29 - Modelo simulado frente aos dados experimentais para a corrente de saída da
lecitina.
Na Figura 30, os dados simulados e os experimentais resultaram em erros
inferiores a 5%. A comparação entre os dados simulados e os experimentais para a
composição das correntes entradas e saídas do processo estão na Tabela 16.
Tabela 16 – Dados experimentais frente aos dados simulados para as correntes de saída
do processo de degomagem de óleo de soja.
Realizando a variação da corrente de entrada do óleo bruto e do fator de
separação nos intervalos que o processo de degomagem opera com o fator de separação
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
Vaz
ão d
e Le
citi
na
Sim
ula
do
(Kg/
h)
Vazão de Lecitina Experimental (Kg/h)
+5%
- 5%
x - Fração mássica de óleo na
Lecitina (%)
RESULTADOS EXPERIMENTAISCORRENTES DE SAÍDA
W - Vazão de Lecitina (Kg/h)
P - Vazão de Óleo Degomado
(Kg/h)13106,52
1596,48
y - Fração mássica de óleo (%) 0,9949
0,402 5,80%
RESULTADOS SIMULADOS
13056,264
1646,7136
0,9998
0,380
% Erro
0,38%
3,10%
0,50%
proposto, foi obtido o comportamento do modelo em relação aos experimentais para as
frações de óleo nas correntes de saída do óleo degomado e lecitina na Figura 30.
Figura 30 - Modelo simulado frente aos dados experimentais.
Nesta comparação, entre os dados simulados e os dados experimentais, o modelo
adquiriu um comportamento satisfatório. Entretanto, com o objetivo de ajustar o modelo,
um novo fator de separação foi calculado através da equação 3.40 com os dados
experimentais, obtendo uma correção do fator de separação conforme a Tabela 17.
Tabela 17 – Correção do Fator de Separação.
Os dados simulados com o fator de separação corrigido frente aos dados
experimentais estão na Figura 31.
0,98188
0,98388
0,98588
0,98788
0,98988
0,99188
0,99388
0,99588
0,99788
0,99988
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
% d
e ó
leo
pu
rifi
cad
o
% arraste de óleo na lecitinaDados Simulados
Dados Experimentais
α Ajustado Fator de Correção E
272,56 0,0276
206,04 0,0209
223,75 0,0226
234,35 0,0237
255,93 0,0259
331,16 0,0335
300,14 0,0304
238,29 0,0241
389,64 0,0394
204,06 0,0207
260,63 0,0264
234,05 0,0237
190,45 0,0193
211,85 0,0214
282,34 0,0286
223,36 0,0226
251,15 0,0254
207,28 0,0210
Figura 31 - Modelo ajustado e simulado frente aos dados experimentais.
Analisando todos os resultados simulados frente aos dados experimentais o modelo
está convalidado para o processo de degomagem de óleo vegetais, pois o fator de separação
obtido através do balanço de forças aderiu ao modelo de separação binário com resultados
satisfatórios. Portanto, este modelo pode ser aplicado para análise do processo de
degomagem no âmbito industrial.
6.2 SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE DEGOMAGEM
Observa-se que cada centrífuga possui um poder de separação, e este é um
parâmetro projetado na construção do equipamento. Considerando uma centrífuga com
o fator de separação ajustado fixo, foram realizadas simulações dos parâmetros do fator
de corte e da fração de óleo bruto na corrente de alimentação, e obtiveram-se as faixas
de trabalho que possibilitam prever o óleo arrastado na lecitina e o óleo purificado, a
partir do controle das variáveis de processo tais como concentração do óleo bruto de
entrada, fator de corte. As faixas de trabalho estão expostas nas Figuras 32 e 33.
0,97
0,975
0,98
0,985
0,99
0,995
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
% d
e ó
leo
pu
rifi
cad
o
% de óleo arrastado na lecitina
Dados Simulados
Dados Experimentais
Figura 32 – Análise do comportamento da fração de óleo arrastado em relação ao fator
de corte e a fração de óleo na entrada.
Fato
r d
e C
ort
e d
o P
roce
sso
-Ѳ
Fração Mássica de Óleo na Corrente de entrada
Figura 33 - Análise do comportamento da fração de purificação do óleo em relação ao
fator de corte e a fração de óleo na entrada.
Analisando as faixas de operação obtidas nas Figuras 32 e 33 quando a operação
é realizada para um fator de corte pequeno com uma fração de óleo maior, o arraste de
óleo aumenta. Em contrapartida, nas mesmas condições a purificação do óleo se
mantém mais estável.
O ideal é que se busque uma faixa de trabalho com arraste reduzido e boa
purificação do óleo. No equipamento simulado, a faixa de concentração de óleo de 0,95
a 0,97, que são concentrações com dosagem de água recomendadas, e fator de corte de
0,94 e 0,96 é possível alcançar uma faixa de trabalho que traz ambos os benefícios para
o processo.
A mesma análise foi realizada com o fator de separação não ajustado e foram
obtidos os comportamentos seguintes expostos nas Figuras 34 e 35.
Fato
r d
e C
ort
e d
o P
roce
sso
-Ѳ
Fração Mássica de Óleo na Corrente de entrada
Figura 34 - Análise do comportamento do óleo arrastado - Modelo não ajustado.
O comportamento das faixas no intervalo sugerida acima de operação também
proporciona uma boa faixa de operação no modelo não ajustado.
Figura 35 - Análise do comportamento do óleo degomado - Modelo não ajustado.
Fato
r d
e C
ort
e d
o P
roce
sso
-Ѳ
Fração Mássica de Óleo na Corrente de entrada
Fato
r de
Cor
te d
o Pr
oces
so-Ѳ
Fração Mássica de Óleo na Corrente de entrada
Avaliando a influência do fator de separação no processo em relação ao fator de
corte para uma concentração de óleo em torno de 0,95, novamente tem-se que
independente do fator de separação, fatores de corte pequenos aumentam o arraste de
óleo, conforme, pode ser conferido na Figura 36.
Figura 36 - Análise do comportamento do Arraste de óleo em relação ao fator de
separação e o fator de corte.
Contudo, o comportamento de arraste do mesmo fator de corte para diferentes
fatores de separação não sofre alteração tão elevada. A purificação do óleo com o
variável fator de corte e fator de separação também não passou por uma alteração
elevada, quando foram avaliados diferentes fatores de separação, conforme Figura 37.
Fator de Separação do Processo
Tet
a
400350300250200
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,88
>
–
–
–
–
< 0,05
0,05 0,15
0,15 0,25
0,25 0,35
0,35 0,45
0,45
x
Fato
r d
e C
ort
e d
o P
roce
sso
-Ѳ
Fator de Separação do Processo-α
Figura 37 – Análise de Purificação do Óleo Degomado em relação ao fator de separação
e ao fator de corte.
A partir destas simulações, percebe-se que o modelo é sensível quando se refere
à concentração de entrada do óleo e ao fator de corte, logo as atuações nestas variáveis,
concentração do óleo e fator de corte podem promover ganhos em rendimentos na
operação de separação. O comportamento da simulação é coerente com a teoria de
centrifugação, exposta no Capítulo 4 onde o rendimento de uma centrífuga pode ser
melhorado quando se alteram as propriedades do produto como densidade e
viscosidade, ou seja, neste caso quando ocorre o ajuste com a hidratação do óleo a ser
degomado.
A vazão do equipamento, segundo a teoria, leva em conta o produto e o
dimensionamento mecânico do mesmo, logo o fator de corte deve ser trabalhado
juntamente com a concentração de óleo para não reduzir o tempo de residência do
produto, pois segundo Salte et al (2006) apud Boychyn et al. (2000), para centrífugas
de discos o tempo médio de residência de um sólido em uma área da centrífuga (Ac) é
dado por :
Teta
Fat
or
de
Sep
araç
ão d
o P
roce
sso
0,9600,9450,9300,9150,900
400
350
300
250
200>
–
–
–
–
–
< 0,975
0,975 0,980
0,980 0,985
0,985 0,990
0,990 0,995
0,995 1,000
1,000
degomado
y - óleo
Fato
r d
e Se
par
ação
do
Pro
cess
o-α
Fator de Corte do Processo-Ѳ
Onde Q é vazão volumétrica e ф é a fração da vazão volumétrica do sólido.
Portanto, o modelo é utilizado como uma ferramenta que permite ajustar os parâmetros
de concentração da vazão de entrada e a própria vazão de entrada quando se ajusta o
fator de corte, a fim de conseguir um óleo com boa purificação e perda de arraste
esperada na temperatura na qual este processo foi analisado.
7. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS
Pelas considerações apontadas denota-se que o processo de degomagem foi
representado satisfatoriamente pelo modelo matemático desenvolvido, apresentando
resultados entre a fração mássica de óleo degomado e o arraste de óleo na lecitina.
O fator de separação teórico contribuiu com os resultados de convalidação,
sendo possível ajustá-lo no processo e obter melhorias. Logo, este modelo pode ser
usado para análise do processo de degomagem no âmbito industrial permitindo, uma
vez conhecido o fator de separação do equipamento, ajustar a concentração adequada do
óleo, o fator de corte que permite uma faixa de purificação e um arraste de óleo
desejado.
Também é pertinente destacar a dosagem de água que exerce influência
significativa sobre o arraste de óleo como previsto na literatura, sendo que no modelo
matemático foi evidenciado nas simulações que a variável concentração do óleo
interfere no resultado do processo.
Na planta industrial, onde foram coletados os dados, diante dos resultados existe
uma oportunidade de redução na quantidade de água utilizada na hidratação, visto que a
mesma está operando com a faixa de 3,5%, partindo do princípio que a purificação do
óleo se manteve em regime permanente e o teor de fosfatídeos encontrados nas análises
possui uma média de 2,5%. Assim, através de melhoria no controlador de dosagem de
água para hidratação, a planta pode operar com dosagens próximas a 2,5%.
Observa-se que a planta em análise possui uma integração energética importante
onde o óleo de alimentação da refinaria já entra no processo de degomagem aquecido,
não havendo necessidade de aquecer, economizando energia nesta etapa, pois segundo
as análises realizadas em laboratório e conforme a teoria exposta, a temperatura tem
uma influência muito importante na purificação do óleo degomado, o que foi
comprovado quando se avaliou um teor de fósforo menor às temperaturas maiores de
centrifugação.
Além disso, foram evidenciadas as alterações nas densidades e viscosidades do
óleo bruto com o aumento da temperatura, consequentemente a velocidade de
sedimentação, que é um fator determinante no dimensionamento da centrífuga, possui
uma grande correlação com a temperatura do processo.
No que diz respeito à contrapressão neste equipamento, as pressão próximas a 1
bar contribuiu para o menor arraste, e este parâmetro pode ser aplicado sem perdas na
escala de produção de degomagem. Assim, como sugestão de trabalho futuro, pode-se
sugerir a validação do modelo com a combinação proposta do ajuste do fator de
separação envolvendo a variação de pressão descrita no capítulo 4, pois durante os
experimentos não foi possível medir a pressão interna do equipamento impossibilitando
a validação do mesmo.
Outra sugestão de trabalho futuro seria uma melhoria no modelo que
contemplasse também a influência da temperatura nas simulações, visto que a
convalidação ocorreu à temperatura constante, mas foi comprovada a importância deste
fator na velocidade de sedimentação.
Mesmo havendo algumas dificuldades industriais para validar o parâmetro
pressão, dosagens menores de água e a influência da temperatura no arraste em escala
industrial, o modelo se mostrou promissor, uma vez que os dados gerados podem
contribuir para o melhor entendimento do processo de degomagem.
Destarte, este trabalho apresenta uma contribuição para os estudos de
processamento de óleos vegetais, uma vez que são limitadas as informações sobre a
modelagem de processamento de óleos, em específico o processo de degomagem.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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